Aunque se habla de las baterÃas de litio y ese nombre se generaliza para todo, en realidad existen varias quÃmicas diferentes que, a su vez, tienen distintas aplicaciones. No todas son adecuadas para emplearse en un vehÃculo eléctrico.
Las baterÃas de litio se han convertido en algo fundamental en nuestras vidas, tanto es asà que cada dÃa convivimos con varias de ellas sin apenas darnos cuenta. Alimentan todos los dispositivos electrónicos del mercado, empezando por los teléfonos móviles y pasando por juguetes, ordenadores, y también los vehÃculos eléctricos que nos transportan. Sin embargo, no todas son iguales ya que la composición quÃmica del cátodo las hace apropiadas para diferentes aplicaciones. A continuación se describen las seis más importantes que se comercializan hoy en dÃa.
Las ventajas de las baterÃas de litio son indiscutibles porque son energéticamente muy densas y ofrecen una vida útil suficientemente larga. Sin embargo, también pueden ser inestables y propensas a incendiarse en determinadas circunstancias. Por eso es importante conocer las diferentes composiciones quÃmicas con las que se fabrican para conocer por qué no todas son apropiadas para emplearse en un vehÃculo eléctrico.
Que las baterÃas de iones de litio no son todas iguales lo demuestra la propia práctica. En un teléfono móvil no es de esperar una duración superior a los tres años, mientras que en un coche eléctrico deben durar más de una década. Sin embargo, técnica y quÃmicamente su funcionamiento sà es el mismo. Los iones de litio almacenan la energÃa creando una diferencia de potencial eléctrico entre los polos negativo y positivo de la baterÃa. Estos se aÃslan utilizando un material separador para evitar descargas internas. Aunque bloquea los electrones, el separador permite el paso de los iones de litio que viajan a través del electrolito situado entre ambos electrodos. Cuando la baterÃa se carga, los iones se mueven del lado positivo al negativo a través del separador. Cuando se descarga, los iones se mueven en la dirección opuesta.
Para el caso de los vehÃculos eléctricos, las baterÃas deben cumplir una serie de requisitos técnicos imprescindibles. Entre ellos una alta densidad energética, una alta densidad de potencia y un elevado número de ciclos de carga y descarga que aseguren una larga vida útil. Todos ellos influyen en el coste de la baterÃa que, por otro lado, debe reducirse para lograr un coche eléctrico asequible.
Seis tipos de quÃmicas para las baterÃas de litio
Según los productos quÃmicos y los materiales utilizados para construir las celdas de iones de litio, se obtienen diferentes caracterÃsticas. No existe una celda mejor que las demás, sino que cada una de las quÃmicas tiene las ventajas y los inconvenientes intrÃnsecos a su naturaleza, lo que determina cuáles son las mejores aplicaciones para cada uno de ellas. Los diferentes tipos se nombran por los materiales activos utilizados para construirlos.
Las baterÃas de litio ferrofostato (LiFePO4) han comenzado a recibir atención por parte de la industria del automóvil desde que Tesla decidió implementarlas en el Model 3 de AutonomÃa estándar que fabrica en Shanghái. Utilizan fosfato como material para el cátodo y un electrodo de carbón grafÃtico como ánodo. Tienen largos ciclos de vida, buena estabilidad térmica y trabajan bien en el sentido electromecánico. Su mayor inconveniente está en su baja energÃa especÃfica, que se traduce en una reducción de la densidad de energÃa respecto a otras tipologÃas, pero también en un menor coste, puesto que no precisan de cobalto, un material caro y complicado de conseguir.
Las celdas LFP funcionan a voltajes nominales altos, 3,2 voltios, por lo que la conexión de cuatro celdas dará como resultado una baterÃa de 12,8 voltios. Por eso, hasta ahora, la quÃmica LFP era la mejor para reemplazar las baterÃas de ciclo profundo de plomo-ácido en diversas aplicaciones.
Precisamente, su baja densidad energética es la que ha limitado esta tecnologÃa a algunos vehÃculos de gran tamaño, ya que su coste es significativamente inferior y son incluso más seguras. Esta situación ha llevado a que sea el mercado chino el primero que ha adoptado esta tecnologÃa, razón por la que el 95 % de las baterÃas LFP se fabrica allÃ. Tesla ha aprovechado esta circunstancia para montarla en el Model 3 de AutonomÃa estándar que se fabrica en Shanghái (y se está pensando en hacerlo en todas sus fábricas), con unos resultados muy prometedores.
El óxido de litio y cobalto (LCO) es un material en capas que se ha utilizado como cátodo para baterÃas de iones de litio durante muchos años. A pesar de buen resultado en su aplicación en sistemas de almacenamiento de energÃa pequeños, como la electrónica portátil, el coste y la toxicidad del cobalto son barreras para su uso en sistemas más grandes. Muchas investigaciones se dirigen a reemplazar el cobalto por elementos más seguros y asequibles, como el nÃquel, sin comprometer el rendimiento del material.
Las baterÃas LCO tienen una energÃa especÃfica alta pero una potencia especÃfica baja. Por eso son adecuadas para aplicaciones que requieren baja potencia, como son los dispositivos electrónicos portátiles, teléfonos y ordenadores portátiles. Si bien la seguridad se ha extremado en ellas, su corta vida útil y la presencia de cobalto, que encarece su producción, les ha hecho perder popularidad frente a otras baterÃas que empelan componentes diferentes.
Las baterÃas LMO utilizan óxido de litio y manganeso como material del cátodo, lo que da como resultado una estructura tridimensional para este. Con esta arquitectura se mejora el flujo de los iones de litio, lo que conlleva beneficios adicionales como un mejor manejo de la corriente eléctrica, una mayor estabilidad térmica y más seguridad.
Las baterÃas LMO se cargan rápidamente y ofrecen una alta potencia especÃfica, lo que las hace ideales para herramientas eléctricas e incluso para algunos vehÃculos hÃbridos y eléctricos. El principal inconveniente es la vida útil que proporcionan, muy corta para aplicaciones en el sector del automóvil, ya que tan solo soportan entre 300 y 700 ciclos de carga y descarga, cuando la industria automotriz exige al menos 1.000 ciclos para asegurar una década de uso.
Las baterÃas de litio, nÃquel, óxido de cobalto y manganeso (NCM) se pueden considerar hoy en dÃa, casi, como un estándar en la industria del automóvil. Con diferentes porcentajes de cada uno de sus componentes su uso está muy generalizado, aunque están llegando al lÃmite de su rendimiento. Ofrecen una alta energÃa especÃfica y, al mismo tiempo, son muy estables.
Estas caracterÃsticas, además de hacerlas adecuadas para herramientas eléctricas, las hacen ideales para sistemas de propulsión en prácticamente todos los tipos de vehÃculos eléctricos, desde bicicletas, pasado por scooters hasta los coches de todos los tamaños.
El principal inconveniente es el voltaje de funcionamiento, que es inferior al de otras quÃmicas de baterÃas. Entre las familias de NMC existen diferentes proporciones entre los tres materiales. Los que incluyen un alto contenido de nÃquel se han convertido en el foco de la investigación actual debido a la mejora que aportan en la capacidad especÃfica de las baterÃas. Sin embargo, los cátodos NMC, sometidos a altos voltajes, son más inestables cuanto más alto es el porcentaje de nÃquel, degradándose muy rápidamente. Para su uso en vehÃculos eléctricos se necesitan potencias elevadas y una alta densidad de energÃa para ofrecer una de aceleración óptima y autonomÃa suficiente, lo que les obliga a operar a altos voltajes.
Las baterÃas de nÃquel, cobalto, óxido de aluminio y litio (NCA) ofrecen la energÃa especÃfica más alta, acompañada por una potencia especÃfica suficiente y un ciclo de vida prolongado. Esta es la razón por la que son muy adecuados para el mercado de vehÃculos eléctricos, a pesar de que necesitan controles de seguridad muy altos debido a su naturaleza más inestable.
De hecho, el principal fabricante que emplea este tipo de baterÃas es Tesla, que las implementa en la mayorÃa de sus vehÃculos, excepto en la versión base Model 3, que recientemente comenzó a utilizar la quÃmica LFP.
Las baterÃas de titanato de litio (LTO) usan este material en lugar de grafito para el ánodo, mientras que el cátodo está compuesto de con quÃmicas LMO o NMC. Esto da como resultado una baterÃa extremadamente segura con una larga vida útil y que se carga más rápido que cualquier otro tipo de baterÃa.
Aunque todo esto suena ideal, su mayor inconveniente es una menor densidad de energÃa y un coste elevado de producción. Suelen utilizarse en equipos militares y aeroespaciales, y también para el almacenamiento de energÃa eólica y solar, asà como en estaciones de carga y algunos vehÃculos eléctricos.
Las baterÃas de los vehÃculos eléctricos
Si bien las baterÃas LCO son hoy en dÃa las más utilizadas para la mayorÃa de los teléfonos y dispositivos portátiles, para los vehÃculos eléctricos las más empeladas son las NCM y las NCA, mientras que las LFP están creciendo en popularidad y usos.
Los cientÃficos trabajan hoy en dÃa en buscar materiales para reemplazar el litio y el electrolito por el que viajan sus iones. Las baterÃas de estado sólido (que utilizan un electrolito sólido) son una de las grandes esperanzas de la industria ya que prometen ampliar las capacidades de iones de litio y, al mismo tiempo, eliminar algunos de sus inconvenientes.
Cuando se trata de vehÃculos eléctricos, la quÃmica no es lo único que importa. También juega un papel importante la forma de empaquetamiento de las celdas. Las baterÃas cilÃndricas, prismáticas y tipo bolsa son los tres tipos de embalaje que se utilizan en los vehÃculos eléctricos. Esto complica aún más las cosas, ya que cada tipo ofrece tiene propiedades diferentes.
¿Por qué tipo de celda se decanta cada fabricante? Precisamente sobre este tema, Addionics y CIC energiGUNE han realizado una investigación en profundidad cuyo resumen se puede encontrar en este enlace.
® HÃbridos y Eléctricos | Editado por Tecnofisis Global, S.L.