Batería del coche eléctrico: la clave de la nueva movilidad

 

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Eléctricos para Dummies:

1. El mañana empieza hoy
2. Anatomía del coche eléctrico
3. Conectores de corriente para cargar el coche
4. Baterías: ¿cómo son?
5. El motor del coche eléctrico
6. Eléctricos en invierno: saca partido a tu batería
7. Cargadores wallbox: qué son, cómo funcionan y cuánto cuestan

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La batería o paquete de baterías es uno de los elementos imprescindibles en todo coche eléctrico. En ella se almacena la energía que moverá a nuestro automóvil. Cuando os hablamos de los conectores de corriente para cargar el coche eléctrico os explicamos los términos básicos que definen el uso de las baterías.  Aquí os lo resumimos indicando cuáles son sus principales cualidades y cómo se determinan sus valores:

Potencia: Medida a través de Kilovatio –kW– y equivalente a 1000 vatios. En el caso de un coche eléctrico, es la que nos va a indicar el caudal con el que pasa la energía a través de un cable.

Eficiencia: Medida en Kilovatio hora –kW/h–, sería la capacidad del depósito de combustible o, en nuestro caso, la cantidad de energía que puede almacenar el contenedor. Aunque no es exacto del todo, podemos decir que un Kw corresponde a un litro de gasolina.

Consumo: Determinado por los kilovatio/hora cada 100 km –kW h/100 km–, corresponde a la cantidad de energía que gasta un coche en una distancia concreta, en este caso a los 100 km.

Ciclo de vida: Corresponde al número de recargas completas que puede soportar una batería antes de empezar a perder efectividad. Actualmente esta cifra está fijada en una media de 3000 recargas completas, lo que supone unos ocho años de vida ó 160.000 km.

Densidad energética: Es la energía que es capaz de suministrar por cada kilos y que influye, de manera directa, tanto en el peso total del coche como en su autonomía. Cuanto más grande sea la batería, más pesará y más distancia podremos recorrer con una sola carga.

 

UBICACIÓN

A día de hoy, la ubicación de los paquetes de baterías lo determina el bastidor sobre el que está construido:

Derivado de coche ya existente: si es un automóvil desarrollado inicialmente para usar un motor de combustión interna, la adaptación a la batería vendrá dada por los 'espacios aprovechables' que éste tenga. Generalmente suele emplearse parte del suelo del coche así como los bajos del maletero o, incluso, el espacio entre las plazas traseras y el cofre de carga.

Los mayores problemas que encontramos en este tipo de 'adaptaciones' suele ser que el coche no está optimizado para aprovechar al máximo las capacidades de su nuevo propulsor. Ejemplo: Un SEAT Mii eléctrico está basado en un coche 'de calle' normal al que se le quita el motor térmico y se le añade uno eléctrico. La diferencia, únicamente en peso, ya se incrementa en 306 kilos, pasando de 929 a 1235 kilos. A veces los componentes mecánicos se refuerzan pero en otros caso no. Además, se da la circunstancia de que los vehículos de tracción delantera tienden a tener pérdidas de tracción ya que las ruedas no son capaces de transmitir al suelo todo el par del que dispone.

Plataforma de nuevo desarrollo: ésta es una fórmula que poco a poco se va implantando cada vez más y a la cual también ayudan las sinergias y fusiones entre diferentes fabricantes. Se trata de crear plataformas específicas que contemplen desde un inicio la posibilidad de equipar una motorización eléctrica o se fabriquen ya exprofeso. Aquí distinguiremos dos tipos:

Modular: es el caso, por ejemplo, del grupo PSA y sus modelos urbanos. El Peugeot e-208 o el Opel Corsa-e son dos modelos que han sido desarrollados para poder montar mecánicas de combustión interna pero también otras eléctricas.

Específica: Son aquellas que han sido diseñadas desde cero para dar cabida únicamente a un sistema de propulsión eléctrico. La mayor diferencia con respecto al resto es que el paquete de baterías se instala en su totalidad en el suelo del coche como una única planta –denominado también skateboard–. Esto ayuda a mejorar la estabilidad del coche y a bajar el centro de gravedad. Del mismo modo permite una mayor modularidad del habitáculo. En algunos casos, el motor se ubica en la parte trasera del coche, como en el Volkswagen ID.3 lo que supone una ventaja y un inconveniente. La primera reside en una mayor capacidad de tracción del coche a cambio de penalizar algo en el tacto de la dirección.

PESO

Actualmente en el mercado podemos encontrar valores que van desde los 100-150 kilos de los modelos urbanos con baterías de 6 a12 kW h hasta los 550 kilos de los más grandes y con mayor autonomía, hasta 100 kW h. Y es que el peso de la batería en un coche eléctrico suele ser proporcional a su capacidad energética. Sin embargo no es determinante y no tiene porqué existir una relación directa con la densidad energética: Factores como el sistema de refrigeración, los circuitos internos o el empaquetado de los módulos de batería pueden redundar en importantes diferencias entre modelos con la misma capacidad energética, o muy parecida.

El peso de la batería de los coches eléctricos es un factor determinante para los fabricantes ya que, a menor peso del conjunto, mayor autonomía. Éste es un aspecto que, junto con el de la aerodinámica, son determinantes a la hora de fabricarlos, y las marcas lo saben.

 

COSTE

Sin lugar a dudas, a día de hoy, el componente más caro de un vehículo eléctrico es su batería y es el que hace que el resto del producto se encarezca. Sin embargo, esta tendencia está cambiando paulatinamente gracias, principalmente, a las ingentes inversiones en I+D+I que las marcas realizan y que permiten que cada vez este componente sea de menor tamaño y más eficiente.

Según un informe de la agencia Bloomberg New Energy Finance –BNEF–, en 2020, el precio de las baterías descendió una media de un 13% con respecto al periodo de 2019. Y es que, en la última década, el coste de este componente ha pasado de los 1.100 dólares el kW h a los 137 dólares que se marcaba a lo largo de este año. Siguiendo esta tendencia, todas las estimaciones apuntan a que para 2023 se podría romper, por primera vez, la barrera de los 100 dólares; aunque lo que realmente se busca es estar en los 94 dólares para 2024.

Actualmente algunos fabricantes chinos se están acercando a esta cifra de 102-100 dólares en baterías para autobuses donde el peso no es un factor tan importante y pueden mejorar la rentabilidad.

Durante 2019 el coste registrado rondaba los 156 dólares, unos 20 menos que en mismo periodo de 2018; y si siguiésemos nuestro recorrido hacia atrás en el tiempo veríamos que, en 2010, el coste era de nada menos que 1.160 dólares por cada kW h.

Si los estudios están en la senda correcta, se estima que para 2030, es decir, en menos de 10 años, el coste sería de tan solo 62 dólares, lo que significa que una batería de 100 kW h que hoy cuesta 13.700 dólares, en poco más de nueve años será de, tan solo, 6.200 dólares.

 

VIDA ÚTIL

Una vez resuelta la duda del coste que tienen las baterías nos queda por conocer cuánto tiempo nos van a durar.

Las actuales, de ión-litio, suelen tener un duración aproximada de 3000 ciclos completos de recarga, lo que corresponde a unos ocho años ó 160.000km con una merma máxima de un 30%. A partir de ahí el rendimiento irá cayendo poco a poco, como si de la batería de un móvil se tratara. Por poner un ejemplo: Si realizamos una carga completa al día, y recorremos más de 100 kilómetros en una jornada, estaríamos hablando de un periodo de vida medio cercano al mencionado anteriormente. Si atendemos a los estudios actuales de movilidad, alrededor del 80% de los usuarios en España realiza trayectos no superiores a 70 kilómetros entre ida y vuelta, lo que redundaría en una vida útil mayor.

Sin embargo, y aunque exista una media de duración, existen pequeños consejos y técnicas que nos pueden ayudar a alargar su vida:

• Realizar una conducción suave y progresiva evitará desgastes prematuros o descargas innecesarias.
• Utilizarlos principalmente en un entorno urbano nos ayudará a incrementar la autonomía, ya que este tipo de coches pierden rendimiento a altas velocidades.
• La anticipación en la frenada y el uso del 'one pedal' o conducción con un solo pedal permite recargar la batería durante la conducción, aumentando la autonomía. Utilizando los diferentes modos de retención motor, levantar pronto el pie del acelerador o dejar rodar el vehículo antes de llegar a un semáforo o pendientes descendentes son prácticas muy aconsejables.
• Seguir de manera estricta el programa de mantenimiento de cada fabricante nos ayudará a incrementar la vida de nuestro coche.
• El uso de este tipo de vehículos no es recomendable en lugares con temperaturas extremas ya que la vida y duración de la batería se ven notablemente afectadas.

 

ESTRUCTURA DE UNA BATERÍA DE COCHE ELÉCTRICO

Ahora que ya sabemos lo imprescindible acerca las baterías vamos a profundizar un poco más en los materiales que se emplean para su fabricación.

Una batería cualquiera está compuesta por un ánodo y un cátodo. El primero es el electrodo por donde entra la corriente. En este caso sería el electrodo donde hay oxidación, es decir, el que pierde electrones. El segundo de ellos funciona al revés, es decir, es el electrodo por donde sale la corriente. Ambos juntos forman el polo negativo –ánodo– y polo positivo –cátodo–.

Es importante entender cómo se conforma ya que, a continuación, veremos la anatomía de una batería para coches eléctricos, divididos en tres partes:

 

El ÁNODO

El polo negativo de nuestra batería se compone esencialmente de dos materiales, GRAFITO y LITIO. El primero es el componente fundamental al cual se infiltra el segundo elemento.

 

El SEPARADOR

Como su nombre indica, es el elemento que divide el ánodo del cátodo. Para ello se emplea una polialfaolefina, permeable a los cationes de litio, pero que no permite que exista contacto directo entre el negativo y el positivo ya que, en caso contrario, se cortocircuitaría internamente. Este compuesto sintético, contiene hidrocarburo y jabón de litio. Posee buena estabilidad térmica, buena viscosidad, incluso a temperaturas elevadas, es capaz de resistir altas presiones y tiene buena estabilidad a la oxidación.

Y es en éste compuesto donde está embebido el electrolito. Éste es una sustancia apolar, que no conduce la electricidad, pero que nos permite un intercambio iónico; es decir, un flujo de cationes de litio –Li+–, que se desplazan de izquierda a derecha o viceversa dependiendo de si la batería está en fase de carga o descarga.

Uno de los electrolitos más utilizados es el Carbonato de Propileno. El problema de éste reside en que, a partir de 100º C, tiende a hervir e incluso se puede inflamar si sale de su contenedor. En esta sustancia se disuelve otra que libera cationes de litio, como por ejemplo, el hexafluoruro de litio.

 

EL CÁTODO

Constituye el polo positivo y actualmente está compuesto por NÍQUEL, MANGANESO y COBALTO en las siguientes proporciones 80%, 10% y 10%; dentro de la tecnología NMC.

 

MOVIMIENTO DE LA CORRIENTE

Los cationes de litio se desplazan por la parte interna de la batería de izquierda a derecha, y viceversa, mientras que los electrones viajan del ánodo al cátodo a través de un cable que los conecta a ambos.

 

PARTES DEL PAQUETE DE BATERÍAS

Una vez que sabemos cómo y de qué forma está fabricada es hora de incorporarla al coche. A continuación os mostramos todos los elementos que componen lo que conocemos como paquete de baterías.

1. Escudo: Es el protector principal del paquete de baterías. Se sitúa entre el asfalto y éste, evitando que la proyección de elementos pueda llegar a atravesar y dañar a la misma.
2. Sistema de climatización: Regula la temperatura de las baterías enfriando o calentando en cada momento.
3. Pasta térmica: De un concepto similar al que utilizaríamos en los microprocesadores de los ordenadores, trabaja para mantener a una temperatura óptima el paquete de baterías.
4. Estructura o carcasa de la batería: Proporciona, aproximadamente, el 70% de la rigidez del coche, va anclada al monocasco del coche con una serie de pernos y en su interior es donde van ubicados los paquetes de baterías.
5. Zona intermedia: Contiene los bloques de las baterías.
6. Caja de contactos: Es la encargada de gestionar todo lo relacionado con la batería.
7. Módulos: Cada uno gestiona la electrónica que controla el estado de carga de las baterías y son los encargados de hacer auto chequeo o 'balance' del estado de las mismas, módulo por módulo, durante el proceso de manera que todas se carguen, más o menos, a la misma velocidad.
8. BMS: Siglas para definir el Battery Management System o sistema de gestión de la batería; es el cerebro que controla todas las operaciones de la batería. A él va conectado todo el cableado que va al motor eléctrico.

CUÁNTOS TIPOS DE BATERÍA EXISTEN ACTUALMENTE

Aunque la tecnología evoluciona rápidamente, el mercado de las baterías cuenta actualmente con casi una docena de diferentes tipos atendiendo a su capacidad y materiales de fabricación:

• Plomo-ácido: Son las que utilizamos para dar servicio a los sistemas auxiliares del coche, como por ejemplo las luces o el motor de los limpias. Llevan muchos años con nosotros y entre sus ventajas destaca el bajo coste. Por el contrario son pesadas, ofrecen una recarga lenta y el plomo es tóxico.
• Níquel-cadmio: Se emplea, principalmente en aviación y movilidad militar por su alto coste de adquisición y por su buen rendimiento a bajas temperaturas. Su principal inconveniente es el conocido como efecto memoria que hace que pierda capacidad con cada carga.
• Níquel-hierro o de Ferroníquel: Prácticamente se encuentran en desuso dada su escasa potencia y eficiencia.
• Níquel-hidruro-hidruro metálico: Parecidas a las de níquel-cadmio, tienen un menor efecto memoria y no contaminan tanto el medio ambiente. Lo peor es que requieren de mantenimiento constante y se desgastan fácilmente en condiciones de altas temperaturas, altas corrientes de descarga o sobrecargas. Su tiempo de carga es lento y tienden a generar mucho calor.
• Ión-litio –LiCoO2–: Formadas por electrolito de sal de litio y electrodos de litio, cobalto y óxido, permiten una alta energía específica, la supresión del, un mantenimiento nulo y facilidad de reciclaje. Cuentan además con el doble de densidad energética de las baterías de níquel-cadmio, ocupando un tercio del volumen. Entre sus defectos están principalmente el alto coste de fabricación, su fragilidad -especialmente en caso de sobrecalentamiento- y su dificultad de almacenamiento. Actualmente son las más utilizadas.

• Ión-litio –LiFePO4–: Se diferencia del anterior en la sustitución del cobalto por el hierro. Ello le permite ganar en estabilidad y seguridad de uso, además de ofrecer mayor potencia y ciclo de vida. La pega: Tiene menor densidad energética y es cara de producir.
• Polímero de litio: Son ligeras, eficientes y sin efecto memoria y poseen mayor densidad energética y potencia que las de ión-litio. Sin embargo su ciclo de vida es corto y su coste, alto.
• ZEBRA: Conocidas como de sal fundida, utilizan electrolito de coroaluminato de sodio triturado. Trabajan a 250 ºC y son complejas. Ofrecen buenos niveles de energía pero el electrolito se solidifica al bajar de temperatura lo que provoca que para volver a su estado óptimo de uso necesite fundirse de nuevo. Ocupan mucho espacio pero, a cambio, ofrecen el mayor ciclo de vida.
• Aluminio-aire: Conocidos más coloquialmente como de pila de combustible, precisan de la sustitución de electrodos de metal gastados. Su capacidad de almacenaje puede ser hasta diez veces superior a las de ión-litio, así como una densidad energética que no tiene parangón en el panorama actual. Sin embargo sus problemas de recarga y fiabilidad han hecho que no tengan, aún, una buena acogida.
• Zinc-aire: Aun en fase experimental, es preciso obtener oxígeno de la atmósfera para generar corriente eléctrica. Tienen gran potencial energético y fiabilidad, son capaces de almacenar hasta tres veces más energía que una de ión-litio en el mismo volumen y con la mitad del coste.

 

ÚLTIMAS NOVEDADES Y PROYECTOS

En busca de una autonomía cada vez mayor, las marcas presentan nuevas ideas que permitan alcanzar, cuanto antes, la barrera psicológica de los 1000 kilómetros entre carga y carga. A continuación os mostramos tres de los proyectos más destacados en este momento, aunque día a día salen nuevos proyectos.

Las Celdas 4680 de Tesla

El empaquetado de las baterías juega un papel importantísimo a la hora de aumentar la densidad de energía de las baterías. Con la supresión de módulos aumenta el material activo que se puede colocar es un mismo volumen al tiempo que conseguimos reducir la longitud de cable y las conexiones.

Consciente de ello, Tesla presentó su proyecto de celdas cilíndricas 4680, más grandes, y que forman parte de una batería que es parte de la estructura del coche entre dos grandes piezas –una delantera y otra trasera– que conforman el subchasis. Esta configuración reduce el número de piezas y, según el fabricante americano, podría aumentar la autonomía en un 14% reduciendo, al mismo tiempo, su peso en un 10%.

 

Ultium de General Motors: baterías modulares y estructurales

GM, uno de los grandes dinosaurios del mundo del automóvil apuesta por las baterías que ha llamado Ultium y que emplean celdas de tipo bolsa –'pouch'– o prismáticas de gran formato que permiten ser apiladas vertical u horizontalmente. Empleando una arquitectura de ensamblaje modular de celdas –CMA cell-module-assemblie– se consigue que forme parte de la estructura mecánica del vehículo y así poder escalarlo a diferentes formatos y modelos.

 

Batería de Litio-Azufre

Para finalizar os presentamos un proyecto de investigación de Brighsun New Energy, un fabricante chino de autobuses eléctricos que asegura haber conseguido 2000 kilómetros de autonomía.

Tras ocho trabajando en ella, en su laboratorio de Australia, el equipo podría haber desarrollado con éxito unas baterías de litio-azufre con una densidad de energía de cinco a ocho veces mayor que las convencionales. Según los resultados presentados, con esta tecnología y tras 1700 ciclos de carga, la batería aún conservaría el 91 % de su capacidad inicial, gracias, entre otras cosas a una densidad de energía superior a 1.000 watios hora por kilo