Tipos de baterías para Vehículo Eléctrico
Un componente importante de los vehículos eléctricos o híbridos es el sistema de almacenamiento de energía o batería. La tecnología de almacenamiento utilizada debe considerarse como uno de los aspectos más importantes, ya que va a influir sobre la autonomía del vehículo, sobre la seguridad, la vida útil y sobre los ciclos de carga y descarga. Se están investigando distintas soluciones y en función de las necesidades que se presenten será más aconsejable utilizar uno u otro tipo de batería.
Realizando un símil, la batería es el “corazón” de los vehículos eléctricos ya que es el componente encargado de almacenar y transmitir energía al motor eléctrico. Las baterías o pack de baterías de los vehículos eléctricos están formadas por módulos que, a su vez, están constituidos por celdas, conectadas por grupos en serie o grupos en paralelo, dentro de una carcasa. Están basadas en el funcionamiento de una pila electroquímica, que puede convertir energía química almacenada en energía eléctrica. Por lo tanto, las celdas electroquímicas almacenan energía y suministran potencia eléctrica.
En una pila electroquímica existen dos electrodos, uno positivo (cátodo) y otro negativo (ánodo), que cuando se conectan fluyen los electrones de un electrodo a otro, generando corriente eléctrica. Dichos electrodos están sumergidos en un electrolito, medio a través del cual se produce el intercambio de iones entre los electrodos. Por otro lado, en las pilas hay un separador, que tiene la misión de mantener separados ambos electrodos. Todas las baterías, independientemente del tipo, están basadas en un proceso químico de reducción-oxidación, que puede ser no reversible (batería primaria) o reversible (batería secundaria o recargable). En el ánodo se liberan los electrones (oxidación) que circulan por el circuito eléctrico exterior hasta que llegan al cátodo (reducción).
Tipos de celda en función de su composición química
En función de su composición química, los tipos de celdas o baterías recargables más utilizadas son:
- Baterías de plomo-ácido
- Baterías de níquel-hierro (Ni-Fe)
- Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd)
- Batería de níquel-hidruro metálico (Ni-MH)
- Baterías de iones de litio (Li-ion)
- Batería de polímeros de litio (LiPo)
- Baterías de litio-metal
Se pueden diferenciar dos tipos de celdas: celdas primarias o no recargables, las cuales transforman la energía química en energía eléctrica de manera irreversible y; celdas secundarias o pilas recargables, que pueden ser cargadas.
Las baterías de plomo-ácido son el tipo más utilizado debido a su alta disponibilidad y su bajo precio, ya que poseen una tecnología muy madura. Estas baterías tienen como ventajas que poseen un voltaje elevado, son capaces de suministrar una elevada intensidad de corriente y una elevada potencia, son el tipo de baterías más barato y pueden reciclarse. Como inconvenientes, poseen baja energía específica, tienen un número bajo de ciclos de carga y descarga y no están preparadas para elevadas profundidades de descarga.
Las baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd) han sido sustituidas por las de níquel-metal hidruro (Ni-MH) por su efecto memoria y porque el uso del cadmio se restringió, debido a su toxicidad, en febrero de 2008.
Este tipo de baterías presentaba como ventajas el número de ciclos de carga (entre 1000 y 1500 ciclos de carga), superior al de las baterías de Ni-MH, y como desventaja la contaminación del cadmio y que tenían efecto memoria, lo que quiere decir que se reduce la capacidad de la batería si se realizan cargas incompletas.
Las baterías de níquel-metal hidruro (Ni-MH), son la evolución de las de Ni-Cd, en este tipo de baterías se ha sustituido el cátodo de cadmio por uno de aleación de hidruro metálico, se utilizan mucho en los vehículos híbridos.
Baterías de ion-litio
Poseen una elevada densidad energética y estabilidad cíclica. Pero el litio no es un mineral infinito. Las baterías de ion litio pueden conseguir diseños más ligeros por su elevada densidad energética, por ello tienen un importante papel en los nuevos vehículos eléctricos e híbridos.
En este tipo de baterías el ánodo es de carbono (grafito) material que es capaz de intercalar y desintercalar iones de litio en su matriz. No obstante, los nuevos desarrollos apuntan a una nueva tecnología de baterías de litio con ánodo de silicio-grafeno, que permitirá mayores capacidades y cargas más rápidas.
Los materiales que se usan en el cátodo son los que dan la denominación a la batería y son óxidos de litio con un metal de transición que puede ser:
- Cobalto: Su nombre químico es baterías de litio-cobalto (LiCoO2 cuya abreviatura es LCO), tienen elevada capacidad y se utilizan en teléfonos móviles, portátiles y cámaras fotográficas.
- Manganeso: Su nombre químico es baterías de manganeso de litio (LiMn2O4 cuya abreviatura es LMO)
- Fosfato de hierro: Su nombre es baterías de litio-fosfato de hierro (LiFePO4 cuya abreviatura es LFP)
- Níquel, manganeso y óxido de cobalto: Su nombre es baterías de óxido de cobalto de manganeso y litio (LiNiMnCoO2 cuya abreviatura es NMC). Este tipo junto con las LFP y LMO, son más seguras, tienen menor capacidad que las baterías LCO pero mayor potencia especifica y mayor vida útil. Se utiliza por ejemplo en herramientas, bicicletas y vehículos eléctricos.
- Níquel, cobalto y óxido de aluminio: Su nombre es baterías de óxido de aluminio, níquel, cobalto y litio (LiNiCoAlO2 cuya abreviatura es NCA).
- Titanato: Su nombre es baterías de litio titanato (Li4Ti5O12 cuya abreviatura es LTO). Las LTO y NCA están ganando importancia en el tren motriz eléctrico y en la red de almacenamiento.
Si se realiza una comparación entre las 5 composiciones químicas que se pueden utilizar en vehículos eléctricos: NCA, NCM, LMO, LTO y LFP, de ellas destacan las NCM, LFP y LMO, por ofrecer características superiores al resto. Se establece una comparación teniendo en cuenta los criterios de energía específica (densidad o capacidad de energía), potencia específica (capacidad de funcionar a altas intensidades de corriente cuando sea solicitada), el rendimiento o la capacidad de funcionar a temperaturas extremas (tanto altas como bajas), la ciclabilidad o degradación (el número de ciclos de carga y descarga que pueden soportar sin degradación), el tiempo de vida útil y, por último, el coste económico.
Las baterías NCA tienen una gran capacidad energética, pero presentan algunos desafíos en cuestiones de seguridad. Mientras, que las de LFP son mucho más seguras, pero tienen menor capacidad energética y sufren mayor autodescarga.
Las celdas de ion litio tiene un elevado voltaje (unos 3,7 V) lo que hace que se reduzca el número de celdas que hay que montar, por otro lado, no poseen efecto memoria y no contienen metales pesados altamente contaminantes. Como inconvenientes, este tipo de baterías no pueden descargarse ni cargarse por debajo o por encima, respectivamente, de unos valores máximos, lo que hace necesario un control electrónico que limite la carga y descarga. Por otro lado, son críticas a bajas y elevadas temperaturas. En el primer caso tienen un rendimiento menor y en el segundo caso presentan riesgos de explosión.
También existe la tecnología de baterías de litio-metal. Durante mucho tiempo las baterías de ion litio han constituido la solución ideal para almacenar energía, pero la investigación continúa buscando una solución mejor, más barata, menos pesada y más eficiente. Una solución muy prometedora son las baterías de litio-metal con electrolito sólido, que permiten mejorar la densidad energética y reducir el coste, sin perder seguridad.
La evolución en las baterías es constante. Se sigue investigando para conseguir una solución más segura y de mayor densidad de energía.
En este tipo de baterías el grafito del ánodo se sustituye por una fina capa de litio metálico, el cátodo es de un compuesto de alta energía y el electrolito es estable. El inconveniente que no las hace prácticas actualmente para vehículos eléctricos, es que las dendritas que se forman entre los electrodos consumen el electrolito, reduciendo así su seguridad, rendimiento y vida útil ya que pueden causar un cortocircuito entre los electrodos. Para solucionar este problema se está trabajando en mejorar el electrolito ya que si se utiliza electrolito polimérico (empleado en las baterías de ion litio) es flexible, barato, pero tiene baja conductividad, mientras que el electrolito cerámico tiene buena conductividad, pero es muy frágil. Por lo tanto, la solución en la que se está trabajando es crear un electrolito muy delgado, formado por un polímero (plástico) y un compuesto cerámico. Esto solucionaría el problema, pero existiría la dificultad de unir estos dos tipos de materiales para buscar el electrolito ideal.
Tipos de celda en función de su forma geométrica
En función de su forma geométrica pueden ser celdas cilíndricas, prismáticas o tipo pouch. Las cilíndricas son mecánicamente estables (presentan resistencia) y son capaces de soportar elevadas presiones internas sin deformarse, son pesadas y por su geometría al empaquetarlas dentro de una envolvente desperdician espacio, ya que dejan huecos entre una celda y otra, aunque este aspecto constituye una ventaja en términos de refrigeración. Es un diseño muy maduro y estandarizado.
Las prismáticas son mecánicamente estables, disponen de una elevada densidad energética y poseen peor disipación térmica, normalmente ante una sobrecarga o una velocidad de carga muy elevada se hinchan. Poseen una forma normalmente prismática rectangular, por lo que presentan un fácil montaje en el pack de baterías, y son muy resistentes a los esfuerzos mecánicos. La envolvente de este tipo de celdas es de una aleación de aluminio.
Las tipo pouch por su geometría consiguen reducir el peso del empaquetado porque poseen un peso muy bajo, es una celda plana que le permite adaptarse a cualquier volumen, y presentan peor estabilidad mecánica. Tienden a hincharse transcurridos uso 500 ciclos. Su gran ventaja es que son ligeras y fácilmente apilables, por lo que el conjunto resulta muy compacto.
Las baterías de ion litio son las que actualmente se está utilizando en los vehículos eléctricos. En función del material utilizado en el cátodo hay distintos tipos de baterías de ion litio, pero la evolución en las baterías es constante. Se sigue investigando para conseguir una solución de sistemas de almacenamiento de energía más segura y de mayor densidad de energía.