Coche eléctrico ayer, hoy, mañana: parte 3

El término "baterías de iones de litio" esconde una amplia variedad de tecnologías.

Una cosa es segura: siempre que la electroquímica de iones de litio permanezca sin cambios en este sentido. Ninguna otra tecnología de almacenamiento de energía electroquímica puede competir con los iones de litio. El punto, sin embargo, es que existen diferentes diseños que utilizan diferentes materiales para el cátodo, el ánodo y el electrolito, cada uno de los cuales tiene diferentes ventajas en términos de durabilidad (el número de ciclos de carga y descarga hasta una capacidad residual permitida para vehículos eléctricos). del 80%), potencia específica kWh/kg, precio euro/kg o relación potencia/potencia.

Atrás en el tiempo

La posibilidad de llevar a cabo procesos electroquímicos en los llamados. Las celdas de iones de litio provienen de la separación de protones y electrones de litio de la unión de litio en el cátodo durante la carga. El átomo de litio dona fácilmente uno de sus tres electrones, pero por la misma razón es altamente reactivo y debe aislarse del aire y del agua. En la fuente de voltaje, los electrones comienzan a moverse a lo largo de su circuito, y los iones se dirigen al ánodo de carbono-litio y, al atravesar la membrana, se conectan a él. Durante la descarga, ocurre el movimiento inverso: los iones regresan al cátodo y los electrones, a su vez, pasan a través de la carga eléctrica externa. Sin embargo, la carga rápida de alta corriente y la descarga completa dan como resultado la formación de nuevas conexiones duraderas, lo que reduce o incluso detiene la función de la batería. La idea detrás del uso del litio como donante de partículas surge del hecho de que es el metal más liviano y puede liberar fácilmente protones y electrones en las condiciones adecuadas. Sin embargo, los científicos están abandonando rápidamente el uso de litio puro debido a su alta volatilidad, su capacidad para unirse con el aire y por razones de seguridad.

La primera batería de iones de litio fue creada en la década de 1970 por Michael Whittingham, quien utilizó litio puro y sulfuro de titanio como electrodos. Esta electroquímica ya no se usa, pero en realidad sienta las bases para las baterías de iones de litio. En la década de 1970, Samar Basu demostró la capacidad de absorber iones de litio del grafito, pero, gracias a la experiencia de esa época, las baterías se autodestruyeron rápidamente durante la carga y descarga. El desarrollo intensivo comenzó en la década de 1980 para encontrar compuestos de litio adecuados para el cátodo y el ánodo de las baterías, y se produjo un verdadero avance en 1991.

Celdas de litio NCA, NCM ... ¿qué significa realmente?

Después de experimentar con varios compuestos de litio en 1991, los esfuerzos de los científicos se vieron coronados por el éxito: Sony comenzó la producción en masa de baterías de iones de litio. Actualmente, las baterías de este tipo tienen la mayor potencia de salida y densidad de energía y, lo que es más importante, un importante potencial de desarrollo. Dependiendo de los requisitos de la batería, las empresas recurren a varios compuestos de litio como material del cátodo. Se trata de óxido de litio y cobalto (LCO), compuestos con níquel, cobalto y aluminio (NCA) o con níquel, cobalto y manganeso (NCM), fosfato de litio y hierro (LFP), espinela de litio y manganeso (LMS), óxido de litio y titanio (LTO) y otros. El electrolito es una mezcla de sales de litio y disolventes orgánicos y es especialmente importante para la "movilidad" de los iones de litio, y el separador, que se encarga de evitar los cortocircuitos al ser permeable a los iones de litio, suele ser polietileno o polipropileno.

Potencia de salida, capacidad o ambas

Las características más importantes de la batería son la energía específica, la fiabilidad y la seguridad. Las baterías producidas actualmente cubren una amplia gama de estas cualidades y, dependiendo de los materiales utilizados, tienen un rango de energía específico de 100 a 265 W / kg (y una densidad de energía de 400 a 700 W / l). Lo mejor en este sentido son las baterías NCA y las peores LFP. Sin embargo, el material es un lado de la moneda. Para aumentar tanto la energía específica como la densidad de energía, se utilizan varias nanoestructuras para absorber más material y proporcionar una mayor conductividad del flujo de iones. Una gran cantidad de iones "almacenados" en un compuesto estable, y la conductividad son requisitos previos para una carga más rápida, y el desarrollo se dirige en estas direcciones. Al mismo tiempo, el diseño de la batería debe proporcionar la relación necesaria de potencia a capacidad, según el tipo de unidad. Por ejemplo, los híbridos enchufables deben tener una relación potencia / capacidad mucho mayor por razones obvias. Los desarrollos de hoy se centran en baterías del tipo NCA (LiNiCoAlO2 con un cátodo y un ánodo de grafito) y NMC 811 (LiNiMnCoO2 con un cátodo y un ánodo de grafito). Los primeros contienen (fuera de litio) aproximadamente 80% de níquel, 15% de cobalto y 5% de aluminio y tienen una energía específica de 200-250 W / kg, lo que significa que tienen un uso relativamente limitado de cobalto crítico y una vida útil de hasta 1500 ciclos. Tales baterías serán producidas por Tesla en su Gigafactory en Nevada. Cuando alcance la capacidad total prevista (en 2020 o 2021, dependiendo de la situación), la planta producirá 35 GWh de baterías, que es suficiente para equipar 500 automóviles. Esto reducirá aún más los costos de la batería.

Las baterías NMC 811 tienen una energía específica ligeramente inferior (140-200 W/kg) pero tienen una vida más larga, alcanzando los 2000 ciclos completos, y están compuestas por un 80 % de níquel, un 10 % de manganeso y un 10 % de cobalto. Actualmente, todos los fabricantes de baterías utilizan uno de estos dos tipos. La única excepción es la empresa china BYD, que fabrica baterías LFP. Los automóviles equipados con ellos son más pesados, pero no necesitan cobalto. Las baterías NCA se prefieren para vehículos eléctricos y NMC para híbridos enchufables debido a sus respectivas ventajas en términos de densidad de energía y densidad de potencia. Algunos ejemplos son el e-Golf eléctrico con una relación potencia/capacidad de 2,8 y el Golf GTE híbrido enchufable con una relación de 8,5. Con el fin de bajar el precio, VW tiene la intención de usar las mismas celdas para todos los tipos de baterías. Y una cosa más: cuanto mayor sea la capacidad de la batería, menor será el número de descargas y cargas completas, y esto aumenta su vida útil, por lo tanto, cuanto más grande sea la batería, mejor. El segundo se refiere a los híbridos como un problema.

Las tendencias del mercado

En la actualidad, la demanda de baterías para fines de transporte ya supera la demanda de productos electrónicos. Todavía se proyecta que se venderán 2020 millones de vehículos eléctricos por año en todo el mundo para 1,5, lo que ayudará a reducir el costo de las baterías. En 2010, el precio de 1 kWh de una celda de iones de litio rondaba los 900 euros, y ahora está por debajo de los 200 euros. El 25 % del costo de toda la batería es para el cátodo, el 8 % para el ánodo, el separador y el electrolito, el 16 % para todas las demás celdas de la batería y el 35 % para el diseño general de la batería. En otras palabras, las celdas de iones de litio contribuyen en un 65 por ciento al costo de una batería. Los precios estimados de Tesla para 2020 cuando Gigafactory 1 entre en servicio rondan los 300€/kWh para baterías NCA y el precio incluye el producto terminado con algún IVA medio y garantía. Sigue siendo un precio bastante alto, que seguirá bajando con el tiempo.

Las principales reservas de litio se encuentran en Argentina, Bolivia, Chile, China, Estados Unidos, Australia, Canadá, Rusia, Congo y Serbia, y la gran mayoría se extrae actualmente de los lagos secos. Con la acumulación de un número creciente de baterías, aumentará el mercado de materiales reciclados de baterías viejas. Sin embargo, lo más importante es el problema del cobalto, que, aunque presente en grandes cantidades, se extrae como un subproducto en la producción de níquel y cobre. A pesar de la baja concentración en el suelo, el cobalto se extrae en el Congo (que tiene las mayores reservas disponibles), pero en condiciones que desafían la ética, la moral y la protección del medio ambiente.

De alta tecnología

Debe tenerse en cuenta que las tecnologías adoptadas como una perspectiva para el futuro cercano, de hecho, no son fundamentalmente nuevas, sino que son opciones de iones de litio. Tales, por ejemplo, son baterías de estado sólido, en las que se usa un electrolito sólido (o gel en baterías de polímero de litio) en lugar de líquido. Esta solución proporciona un diseño más estable de los electrodos, lo que viola su integridad cuando se carga con alta corriente, respectivamente. Alta temperatura y alta carga. Esto puede aumentar la corriente de carga, la densidad del electrodo y la capacitancia. Las baterías de estado sólido aún se encuentran en una etapa muy temprana de desarrollo, y es poco probable que aparezcan en la producción en masa hasta mediados de la década.

Una de las empresas emergentes galardonadas en el Concurso de Tecnología de Innovación de BMW 2017 en Ámsterdam fue una empresa que funciona con baterías cuyo ánodo de silicio mejora la densidad de energía. Los ingenieros están trabajando en varias nanotecnologías para proporcionar mayor densidad y resistencia tanto al material del ánodo como al cátodo, y una solución es usar grafeno. Estas capas microscópicas de grafito con un solo espesor de átomo y una estructura atómica hexagonal son uno de los materiales más prometedores. Las "bolas de grafeno" desarrolladas por el fabricante de celdas de batería Samsung SDI, integradas en la estructura del cátodo y el ánodo, proporcionan una mayor resistencia, permeabilidad y densidad del material y un aumento correspondiente en la capacidad de aproximadamente un 45% y un tiempo de carga cinco veces más rápido. Estas tecnologías puede recibir el impulso más fuerte de los autos de Fórmula E, que pueden ser los primeros en estar equipados con tales baterías.

Jugadores en esta etapa

Los principales actores como proveedores de nivel 123 y nivel 2020, es decir, fabricantes de celdas y baterías, son Japón (Panasonic, Sony, GS Yuasa y Hitachi Vehicle Energy), Corea (LG Chem, Samsung, Kokam y SK Innovation), China (BYD Company) . , ATL y Lishen) y EE. UU. (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel y Valence Technology). Los principales proveedores de teléfonos celulares son actualmente LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Corea), AESC (Japón), BYD (China) y CATL (China), que tienen una participación de mercado de dos tercios. En esta etapa en Europa, solo se oponen BMZ Group de Alemania y Northvolth de Suecia. Con el lanzamiento de la Gigafábrica de Tesla en XNUMX, esta proporción cambiará: la compañía estadounidense representará el XNUMX% de la producción mundial de celdas de iones de litio. Empresas como Daimler y BMW ya han firmado contratos con algunas de estas empresas, como CATL, que está construyendo una fábrica en Europa.