Por qué la carga rápida es la muerte de las baterías

Quieren cambiar el aceite, pero aún tienen un defecto fatal sobre el que los fabricantes guardan silencio.

La Edad del Carbón se recuerda desde hace mucho tiempo. La era del petróleo también está llegando a su fin. En la tercera década del siglo XNUMX, vivimos claramente en la era de las baterías.

SU PAPEL SIEMPRE ha sido importante desde que la electricidad entró en la vida humana. Pero ahora, tres tendencias han hecho que el almacenamiento de energía sea la tecnología más importante del planeta.

La primera tendencia es el auge de los dispositivos móviles: teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles... Solíamos necesitar baterías para cosas como linternas, radios móviles y dispositivos portátiles, todos con un uso relativamente limitado. Hoy en día, todo el mundo tiene al menos un dispositivo móvil personal, que usa casi constantemente y sin el cual su vida es impensable.

La SEGUNDA TENDENCIA es el uso de fuentes de energía renovables y la repentina discrepancia entre los picos de producción y consumo de electricidad. Solía ​​ser fácil: cuando los propietarios encienden las estufas y los televisores por la noche y el consumo aumenta considerablemente, los operadores de las centrales térmicas y nucleares simplemente tienen que aumentar la potencia. Pero con la generación solar y eólica, esto es imposible: el pico de producción suele ocurrir en un momento en que el consumo está en su nivel más bajo. Por lo tanto, la energía debe almacenarse de alguna manera. Una opción es la llamada “sociedad del hidrógeno”, en la que la electricidad se convierte en hidrógeno y luego alimenta el combustible a la red y a los vehículos eléctricos. Pero el costo extraordinariamente alto de la infraestructura necesaria y los malos recuerdos de la humanidad sobre el hidrógeno (Hindenburg y otros) dejan este concepto en un segundo plano por ahora.

Las llamadas "redes inteligentes" se ven en la mente de los departamentos de marketing: los vehículos eléctricos reciben el exceso de energía en el pico de producción y luego, si es necesario, pueden devolverlo a la red. Sin embargo, las baterías modernas aún no están preparadas para tal desafío.

OTRA POSIBLE RESPUESTA a este problema promete una tercera tendencia: la sustitución de los motores de combustión interna por vehículos eléctricos de batería (BEV). Uno de los principales argumentos a favor de estos vehículos eléctricos es que pueden ser partícipes activos de la red y tomar el excedente para devolverlos cuando sea necesario.

Todos los fabricantes de vehículos eléctricos, desde Tesla hasta Volkswagen, utilizan esta idea en sus materiales de relaciones públicas. Sin embargo, ninguno de ellos reconoce lo que es dolorosamente claro para los ingenieros: las baterías modernas no son adecuadas para tal trabajo.

La TECNOLOGÍA DE IONES DE LITIO que domina el mercado hoy en día y ofrece desde su brazalete de ejercicios hasta el Tesla Model S más rápido, tiene muchas ventajas sobre conceptos más antiguos como las baterías de plomo ácido o de hidruro metálico de níquel. Pero también tiene algunas limitaciones y, sobre todo, una tendencia al envejecimiento.

La mayoría de la gente piensa en las baterías como una especie de tubo en el que la electricidad "fluye" de alguna manera. En la práctica, sin embargo, las baterías no almacenan electricidad por sí mismas. Lo usan para desencadenar ciertas reacciones químicas. Entonces pueden iniciar la reacción opuesta y recuperar su carga.

Para las baterías de iones de litio, la reacción con la liberación de electricidad se ve así: los iones de litio se forman en el ánodo de la batería. Estos son átomos de litio, cada uno de los cuales ha perdido un electrón. Los iones se mueven a través del electrolito líquido hasta el cátodo. Y los electrones liberados se canalizan a través de un circuito eléctrico, proporcionando la energía que necesitamos. Cuando la batería se enciende para cargar, el proceso se invierte y los iones se recogen con los electrones perdidos.

El "crecimiento excesivo" con compuestos de litio puede provocar un cortocircuito y encender la batería.

Desafortunadamente, SIN EMBARGO, la ALTA REACTIVIDAD que hace que el litio sea tan adecuado para fabricar baterías tiene un inconveniente: tiende a participar en otras reacciones químicas indeseables. Por lo tanto, una fina capa de compuestos de litio se forma gradualmente sobre el ánodo, lo que interfiere con las reacciones. Y así la capacidad de la batería disminuye. Cuanto más intensamente se carga y descarga, más espesa se vuelve esta capa. A veces, incluso puede liberar las llamadas "dendritas" -piense en estalactitas de compuestos de litio- que se extienden desde el ánodo hasta el cátodo y, si lo alcanzan, pueden causar un cortocircuito y encender la batería.

Cada ciclo de carga y descarga acorta la vida útil de la batería de iones de litio. Pero la carga rápida recientemente de moda con una corriente trifásica acelera significativamente el proceso. Para los smartphones esto no es una gran barrera para los fabricantes, en cualquier caso quieren obligar a los usuarios a cambiar de dispositivo cada dos o tres años, pero los coches son un problema.

Para convencer a los consumidores de que compren vehículos eléctricos, los fabricantes también deben atraerlos con opciones de carga rápida. Pero las emisoras rápidas como Ionity no son adecuadas para el uso diario.

EL COSTE DE LA BATERÍA ES OTRO TERCIO e incluso más que el precio total del coche eléctrico actual. Para convencer a sus clientes de que no están comprando una bomba de relojería, todos los fabricantes ofrecen una garantía de batería por separado y más larga. Al mismo tiempo, confían en una carga más rápida para que sus automóviles sean atractivos para viajes de larga distancia. Hasta hace poco, las estaciones de carga más rápidas funcionaban con 50 kilovatios. Pero el nuevo Mercedes EQC se puede cargar hasta 110kW, el Audi e-tron hasta 150kW como lo ofrecen las estaciones de carga europeas Ionity, y Tesla se está preparando para subir el listón aún más.

Estos fabricantes admiten rápidamente que la carga rápida destruirá las baterías. Las estaciones como Ionity son más adecuadas para emergencias cuando una persona ha recorrido un largo camino y tiene poco tiempo. De lo contrario, cargar lentamente la batería en casa es un enfoque inteligente.

La carga y descarga también es importante para su vida útil. Por lo tanto, la mayoría de los fabricantes no recomiendan cargar por encima del 80% ni por debajo del 20%. Con este enfoque, una batería de iones de litio pierde en promedio alrededor del 2 por ciento de su capacidad por año. Por lo tanto, puede durar 10 años, o hasta unos 200 km, antes de que su potencia baje tanto que se vuelva inutilizable en un automóvil.

Finalmente, por supuesto, la VIDA ÚTIL DE LA BATERÍA depende de su composición química única. Es diferente para cada fabricante, y en muchos casos es tan nuevo que ni siquiera se sabe cómo envejecerá con el tiempo. Varios fabricantes ya están prometiendo una nueva generación de baterías con una vida útil de "un millón de millas" (1.6 millones de kilómetros). Según Elon Musk, Tesla está trabajando en uno de ellos. La empresa china CATL, que suministra productos a BMW y media docena de otras empresas, ha prometido que su próxima batería durará 16 años, o 2 millones de kilómetros. General Motors y la coreana LG Chem también están desarrollando un proyecto similar. Cada una de estas empresas tiene sus propias soluciones tecnológicas que quieren probar en la vida real. GM, por ejemplo, utilizará materiales innovadores para evitar que la humedad ingrese a las celdas de la batería, una de las principales causas de las incrustaciones de litio en el cátodo. La tecnología CATL agrega aluminio al ánodo de níquel-cobalto-manganeso. Esto no solo reduce la necesidad de cobalto, que actualmente es la más cara de estas materias primas, sino que también aumenta la vida útil de la batería. Al menos eso es lo que esperan los ingenieros chinos. Los clientes potenciales se complacen en saber si una idea funciona en la práctica.