Baterías de los vehículos eléctricos

Baterías

     Las batería ha sido un elemento el cual tuvo su desarrollo (como por ejemplo con las baterías de plomo-ácido para los coches) pero no se siguió innovando. Se empezó su gran investigación y mejora con la llegada de los teléfonos móviles, los cuales al principio tenían instalados unas baterías muy rudas y pesadas y estas dejaban mucho que desear: eran muy voluminosas, duraban poco tiempo, alta tasa de descarga y sufrían el famoso “efecto memoria” por el cual si se cargaban antes de estar descargadas completamente, se iba reduciendo su capacidad.

Plomo-Ácido

 

     Los acumuladores de plomo-ácido son las más antiguas y tienen una baja relación entre la energía eléctrica acumulada y el peso y el volumen. Son más baratas y tienen una tasa de reciclaje del 90 por ciento pero ocupan un gran espacio y pesan mucho. Para conseguir una autonomía de 50 km y una velocidad de 70 km/h se necesitan más de 400 kg de baterías de este tipo. El periodo de recarga puede oscilar entre 8 y 10 horas.

Níquel cadmio (NiCd)

     Utilizan un ánodo de níquel y un cátodo de cadmio. El cadmio es un metal pesado muy tóxico, por lo que han sido prohibidas por la Unión Europea. Tienen una gran duración (más de 1500 recargas) pero muy baja densidad energética (50 Wh/kg), además de verse afectadas por el efecto memoria.

Níquel-Hidruro metálico (NiHM)

     Las baterías recargables de níquel hidruro metálico son muy similares a las de níquel cadmio, pero sin el metal tóxico, por lo que su impacto ambientar es muy inferior. Este tipo de baterías almacenan de dos a tres veces más energía eléctrica que sus equivalentes en peso de níquel cadmio, aunque también se ven afectadas por el efecto memoria, su densidad energética asciende a 80 Wh/kg.

Ión Litio

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     Primeramente comentar que este tipo de batería hoy día es la más utilizada e investigada para los VE.

     La batería de iones de litio, también denominada batería Li-Ión, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo.

    Las propiedades de las baterías de Li-ión, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, la ausencia de efecto memoria o su capacidad para operar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido el diseño de acumuladores livianos, de pequeño tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados para las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo. Desde la primera comercialización a principios de los años 1990 de un acumulador basado en la tecnología Li-ion, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores y lectores de música.

     Las baterías de ión Litio almacenan tres o cuatro veces más energía por unidad de masa que las baterías tradicionales. Los materiales del electrodo positivo en estas baterías son muy eficaces pero también caros, en principio demasiado para ser usados en las baterías grandes que se necesitan para los vehículos enteramente eléctricos y para la segunda generación de vehículos híbridos.

     Su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones.

     Vistas las características más importantes de este tipo de baterías, se pueden enumerar otras:

  • Ventajas:
    • Poco peso: A igualdad de carga almacenada, son menos pesadas y ocupan menos volumen que las de tipo Ni-MH y mucho menos que las de NI-Cd y Plomo.
    • Alto voltaje por célula: Cada batería proporciona 3,7 voltios, lo mismo que tres baterías de Ni-MH o Ni-Cd (1,2 V cada una).
    • Carecen de efecto memoria.
    • Larga vida en las baterías profesionales para vehículos eléctricos. Algunos fabricantes muestran datos de más de 3.000 ciclos de carga/descarga.
    • Muy baja tasa de autodescarga: Cuando guardamos una batería, ésta se descarga progresivamente aunque no la usemos. En el caso de las baterías de Ni-MH, esta “autodescarga” puede suponer más de un 20% mensual. En el caso de Li-Ion es de menos un 6% en el mismo periodo. Mucha de ellas, tras seis meses en reposo, pueden retener un 80% de su carga.
  • Inconvenientes:
    • Duración media: Depende de la cantidad de carga que almacenen, independientemente de su uso. Tienen una vida útil de unos 3 años o más si se almacenan con un 40% de su carga máxima.
    • Soportan un número limitado de cargas: entre 300 y 1000, menos que una batería de Ni-Cd e igual que las de Ni-MH.
    • Peor capacidad de trabajo en frío: Ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de Ni-Cd o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta un 25%.

     Todas estas ventajas e inconvenientes se analizan en los laboratorios de desarrollo de los fabricantes automotores. Uno de ellos es el edificio de más de nueve mil metros cuadrados en el que General Motors prueba las baterías. Hasta ahora, esta compañía ha invertido un billón de dólares en su programa para el Chevy Volt para construir un coche que tenga una autonomía competitiva sólo con batería.

     El fabricante japonés Nissan con su socio francés Renault, tienen previsto construir dos nuevas fábricas  de baterías de ión de Litio para coches eléctricos en Gran Bretaña y Portugal.

Polímero de litio

     Es una tecnología similar a la de iones de litio, pero con mayor densidad de energía y diseño ultraligero. Entre sus desventajas está la lata inestabilidad de las baterías si se sobrecargan y si la descarga se produce por debajo de cierto voltaje.

ZEBRA (NaNiCl)

      Una de las baterías recargables que más prometen son las conocidas como Zebra (Figura 10). Su coste es bajo y pueden durar mil ciclos sin deteriorarse. Tiene una alta densidad energética, pero operan en un rango de temperaturas que va de 270 ºC a 350 ºC, lo que requiere un asilamiento. Otro de sus inconvenientes, es las pérdidas que se producen cuando no se usa. El automóvil eléctrico Think City va equipado con baterías Zebra de 17,5 kWh. La distancia que un vehículo eléctrico puede recorrer sin recargar la batería, es de aproximadamente entre 60 y 250 kilómetros.

Figura 10 – Batería Zebra (www.evworld.com)

Tabla resumen de características

Tipo

de

batería recargable

Energía específica

(Wh/kg)

Potencia específica

(W/kg)

Número de ciclos
Zebra (NaNiCl) 125 500 1000
Polímero de litio 200 >3000 1000
Iones de litio 125 1800 1000
Níquel hidruro-metálico (NiMH) 70 250 – 1000 1350
Níquel cadmio (NiCd) 60 150 1350
Plomo-ácido 40 180 500

Carga de baterías

     A parte del gran impedimento que suponen las baterías en sí, ya sea por su autonomía, peso o volumen; el otro gran inconveniente es el tema de su carga.

      Se conseguiría un buen aprovechamiento energético y un buen favor al medio ambiente, si se combinaran las energías renovables con los VE. Uno de los problemas que existe con las energías renovables es cuando la naturaleza nos aporta mucha energía (hoy día las más conocidas eólica o solar) y hay poca demanda por parte de los usuarios, por tanto, en este caso la solución que se adopta es parar los aero-generadores o desconectar las placas solares para que no suministren más energía a la red y la sobrecarguen. En esta situación si se combinan este tipo de energía y los VE, esa energía sobrante podría ir a parar a las baterías de estos vehículos, dándole así un uso práctico.

Carga mediante enchufe

 

     Tal y como se quiere hacer con los teléfonos móviles, varias compañías automovilísticas, junto con algunas compañías eléctricas, se encuentran trabajando para conseguir un modelo estándar de enchufe para cargar los VE. La idea buscar crear un enchufe que funcione a 400 V trifásica, con el cual se pueda cargar el VE en cualquier país.

     Las empresas automovilísticas que se encuentran trabajando en el desarrollo de este enchufe universal son: Volkswagen, BMW, Ford, General Motors, Fiat, Toyota y Mitsubishi, mientras que las compañías eléctricas implicadas son: Eon, Vattenfall, EDF, Npower, Endesa y Enel.

Carga inductiva

 

     Consiste en aprovechar la inducción magnética, se usan dos bobinas conductoras para transmitir energía a través de distancias cortas. Ambas bobinas deben encontrarse muy próxima, sin hacer contacto eléctrico directo. Los campos magnéticos se propagan en todas las direcciones y se debilitan al alejarse de la fuente, esto impone restricciones; pero los técnicos de Nissan descubrieron la manera de transmitir electricidad entre bobinas separadas por varios metros de distancia.

     Nissan en Julio de 2009 anunció un nuevo modelo de automóvil de cero emisiones que no necesita cables para recargar la batería. La recarga inalámbrica del ochenta por ciento de la batería cuesta unos 25 minutos. El coche lleva una batería de ión-litio de alto rendimiento, poseyendo una autonomía de 185 kilómetros y una velocidad máxima de 160 km/h. Gracias a este sistema, Nissan quiere vencer uno de los principales inconvenientes, que como ya se mencionaron anteriormente, es la recarga de las baterías. Los expertos piensan que se realizará un sistema mixto, durante la noche los conductores enchufarán su coche y recurrirán a la inducción magnética de día, en el caso que lo necesiten.

Nuevas baterías

    Gracias a unos científicos estadounidenses: Byoungwoo Kang y Gerbrand Ceder, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), que han creado un nuevo diseño de baterías, será posible recargar baterías de un VE en unos cinco minutos, en lugar de las ocho horas que aproximadamente pueden tardar los vehículos actuales.

     Han utilizado baterías de ión litio, mejorando la estructura y los materiales. Según explican los científicos, las baterías de litio actuales funcionan mediante el movimiento ininterrumpido de los iones de litio en su interior, los cuales son los que transportan la carga eléctrica positiva. Estas baterías de iones de litio ofrecen un buen rendimiento energético, pero toman demasiado tiempo para recargarse. Los ingenieros del MIT detectaron que estos problemas tienen una razón común: la poca velocidad con la que se mueven los iones de litio en su interior. Por eso, han simplificado al máximo su camino, modificando la estructura interna de las baterías creando nuevos caminos, vías o atajos para facilitar el paso de las cargas eléctricas de un extremo a otro de la batería y en ambas direcciones. Para asegurarse que los iones de litio sigan estos recorridos, se han añadido un material superconductor, fosfato de litio-hierro, el cual guía a los iones por esas rutas, reduciendo el tiempo que necesita la energía eléctrica para trasladarse y completar el recorrido dentro de la pila. Además, el fosfato de litio-hierro presenta la ventaja de que no se sobrecalienta ni pierde su capacidad para cargarse. Según publica la revista “Nature”, la nueva batería podría empezar a comercializarse a partir de 2012.