La historia interna de las baterías para vehículos eléctricos: desmitificando NCM, NCA, LFP y las químicas de estado sólido

La razón principal por la que los vehículos eléctricos no han asumido completamente la carga de transporte es el nivel tecnológico de sus baterías de alto voltaje. Aunque durante la última década se han logrado grandes avances en este campo, el contenido energético de las baterías no se acerca en absoluto al contenido energético de los combustibles líquidos. El santo grial de la investigación en automoción es una batería con una densidad de energía significativamente mayor que la que está disponible actualmente. Así que decidimos hacer una revisión de las tecnologías de baterías actuales y prometedoras para ponerlo al día.

Tecnologías actualmente en uso

Ión de litio: cátodo NCM y NCA

Las baterías de iones de litio datan de hace aproximadamente 30 años, cuando Sony las introdujo en un dispositivo comercial: la videocámara Sony CCD-TR1. ¿Cómo funciona una batería de iones de litio? En pocas palabras, los iones de litio viajan del ánodo al cátodo de un lado a otro. Durante la descarga, el ánodo envía iones de litio al cátodo. Los iones de litio viajan a través de electrolitos líquidos mientras que los electrones viajan por el circuito externo y se recombinan en el cátodo de la celda. Durante la carga sucede lo contrario.

Hoy en día, los tipos de baterías de alto voltaje de iones de litio NCM y NCA se utilizan casi exclusivamente en vehículos eléctricos. N significa níquel, C es cobalto, M es manganeso y A es aluminio. Dependiendo del porcentaje de estos materiales en el cátodo de la batería se consiguen diferentes características. Por ejemplo, una batería NCM 712 significa que está compuesta de 70% de níquel, 10% de cobalto y 20% de manganeso. En general, cuanto mayor sea el porcentaje de níquel en la batería, mayor será la densidad de energía que la batería puede proporcionar, con un profundo efecto positivo en el peso y las dimensiones del paquete de baterías.

Debido a la escasez de cobalto en la corteza terrestre y su cuestionable ética minera (trabajo infantil), los fabricantes de baterías intentan utilizar químicas con menor porcentaje del material o exclusión total del mismo. La combinación de un cátodo con alto contenido de níquel, una disposición de celda a paquete y silicio en el ánodo puede elevar su densidad de energía hasta 325 Wh/kg. Podríamos decir que este tipo de baterías está cerca de sus límites tecnológicos.

Iones de litio - cátodo LFP

Otra alternativa para el cátodo de las baterías de iones de litio es el uso de fosfato de hierro y litio. Aunque el rendimiento de este tipo de batería es generalmente inferior al del tipo NMC, algunos fabricantes la prefieren debido a su mayor vida útil y a los materiales más baratos y comunes utilizados. La densidad de energía específica aquí es menor debido a dos factores principales.

Primero, porque el voltaje máximo es menor, eso significa que para la misma capacitancia obtenemos menos kWh y segundo, porque los iones de litio se mueven en una dimensión espacial (en lugar de dos en las baterías NMC). El hecho de que los iones de litio se muevan sólo en una dimensión espacial significa que la potencia máxima de descarga de la batería también es menor, por lo que este tipo de batería no se considera adecuada para aplicaciones de alto rendimiento.

Esta es la razón por la que Tesla utiliza este tipo de química de batería sólo para la versión base del Modelo 3. Sin embargo, este tipo de batería tiene dos ventajas principales. Su longevidad se considera superior a la de otros tipos de Li-ion y no sólo no tiene problemas a la hora de cargarla al 100%, sino que de hecho es una fuerte recomendación para estas baterías.

Posibles tecnologías futuras

Litio - Aire

Las baterías de litio-aire son actualmente un proyecto tecnológico y en fase de investigación, pero este tipo de batería parece ser la más prometedora de todas y presenta una capacidad energética específica similar a la de los combustibles líquidos con 11,4 kWh/kg. El litio se encuentra en el ánodo mientras que el aire está en el cátodo y estos dos están separados por un electrolito. Durante la descarga, los iones de litio del ánodo viajan al cátodo donde hay aire y reaccionan con el oxígeno.

Desafortunadamente, las altas temperaturas durante la carga impiden una recarga rápida de la batería, mientras que la formación de dendritas durante el proceso reduce en gran medida la vida útil de la batería, lo que limita su uso actualmente al entorno de laboratorio. Si se superan sus desafíos tecnológicos y su costo es razonable, entonces los vehículos ICE quedarán obsoletos de la noche a la mañana.

Solid State

Se considera el Santo Grial de las baterías de coche y actualmente todos los gigantes de la industria del automóvil están llevando a cabo una amplia investigación. Las baterías de iones de litio convencionales actuales utilizan electrolitos líquidos y un separador para dividir el ánodo del cátodo. En la batería de estado sólido el electrolito líquido y el separador se sustituyen por un electrolito sólido.

Actualmente, los investigadores están evaluando una variedad de opciones para el electrolito sólido, incluidas sustancias metálicas y cerámicas. Si bien actualmente ningún vehículo eléctrico utiliza esta tecnología de batería, se prevé que los primeros modelos de producción lleguen al mercado dentro de los próximos dos o tres años. Se prevé que esta batería ofrezca una densidad de energía específica el doble que la de las baterías tradicionales de iones de litio con electrolitos líquidos, al tiempo que mantiene una vida útil de 1.000 ciclos, aunque estas estimaciones podrían mejorar a medida que avanza el desarrollo.