Imagina una batería. Es possible que esté imaginando una celda AA o AAA de formato estándar, del tipo que compra para alimentar varios dispositivos eléctricos pequeños, como el management remoto de su televisor o un detector de humo.
Ahora, imagina la batería de un vehículo eléctrico. La imagen que has conjurado probablemente se parece más a un gran rectángulo que a un pequeño cilindro.
Aunque su mente puede percibir estos dos tipos de baterías como dispositivos de almacenamiento de electricidad muy diferentes, tanto la batería típica comprada en la tienda para sus diversos dispositivos electrónicos como el paquete de baterías en un EV funcionan con los mismos principios generales. Dicho esto, la batería de un vehículo híbrido o eléctrico es un poco más complicada que esas celdas similares a las de un lápiz labial a las que estás acostumbrado a manejar.
La batería en un HEV, PHEV o BEV (eso es vehículo híbrido-eléctrico, vehículo híbrido-eléctrico enchufabley vehículo eléctrico de batería, respectivamente) pueden estar hechos de una variedad de materiales, cada uno de los cuales tiene diferentes características de rendimiento. Las celdas individuales almacenadas dentro de estos grandes paquetes de baterías también vienen en muchas formas y tamaños diferentes.
¿Cómo funciona una batería EV?
Cada una de las celdas dentro del paquete de baterías de un vehículo eléctrico tiene un ánodo (el electrodo negativo) y un cátodo (el electrodo positivo), los cuales están separados por un materials related al plástico. Cuando los terminales positivo y negativo están conectados (piense en encender una linterna), los iones viajan entre los dos electrodos a través de un electrolito líquido dentro de la celda. Mientras tanto, los electrones que emiten estos electrodos pasan a través del cable fuera de la celda.
Si la batería proporciona energía (por ejemplo, la bombilla de la linterna antes mencionada), una acción conocida como descarga, entonces los iones fluyen a través del separador desde el ánodo hasta el cátodo, mientras que los electrones viajan por el cable desde el negativo (ánodo) hasta el cátodo. la terminal positiva (cátodo) para proporcionar energía a una carga externa. Con el tiempo, la energía de la célula se agota a medida que impulsa lo que sea que esté alimentando.
Sin embargo, cuando la celda está cargada, los electrones fluyen desde una fuente de energía externa en la otra dirección (de positivo a negativo) y el proceso se invierte: los electrones fluyen desde el cátodo hacia el ánodo, lo que aumenta nuevamente la energía de la celda.
Construcción de baterías para vehículos eléctricos
Cuando piensas en las baterías AA o AAA antes mencionadas, estás imaginando una sola celda de batería. Pero las baterías de los vehículos eléctricos no son una versión enorme de esa celda única. En cambio, están formados por cientos, si no miles, de células individuales, generalmente agrupadas en módulos. Hasta varias docenas de módulos pueden residir dentro de un paquete de baterías, que es la batería EV completa.
Las celdas EV pueden ser pequeñas celdas cilíndricas, como una celda AA o AAA, de varias dimensiones estandarizadas. Este es el enfoque que adoptan Tesla, Rivian, Lucid y algunos otros fabricantes de automóviles, conectando miles de estas pequeñas celdas. La ventaja, afirman estas empresas, es que las celdas pequeñas son mucho más baratas de producir en volumen. Aún así, Tesla planea pasar a un número menor de celdas cilíndricas más grandes para reducir la cantidad de conexiones dentro de los paquetes de baterías de sus automóviles.
Tres celdas de batería cilíndricas diferentes que se utilizan en cientos o miles para formar el paquete de batería de un vehículo.
Pero las celdas EV vienen en otros dos formatos: prismáticas (rígidas y rectangulares) o bolsas (también rectangulares, pero en una caja de aluminio blando que permite cierta expansión en las paredes de las celdas bajo calor extremo). Hay pocas dimensiones estandarizadas de celda prismática o de bolsa, y la mayoría de los fabricantes de automóviles (Common Motors y Ford, por ejemplo) especifican las suyas propias en asociación con el fabricante de la celda, como CATL de Chinala japonesa Panasonic o la coreana LG Chem.
Tipos de baterías para vehículos eléctricos
La química de la batería de un vehículo eléctrico, o los materiales utilizados en su cátodo, varía entre los diferentes tipos de celdas. Hoy en día, existen esencialmente dos tipos de química de batería, ambos bajo el paraguas de iones de litio, lo que significa que sus cátodos usan litio junto con otros metales.
Este es un paquete de baterías de la familia Ultium de GM, que utiliza celdas con una mezcla de níquel-manganeso-cobalto-aluminio (NMCA).
Los dos tipos de baterías de iones de litio
El primero, más común en América del Norte y Europa, utiliza una mezcla de níquel, manganeso y cobalto (NMC) o níquel, manganeso, cobalto y aluminio (NMCA).
Estas baterías tienen densidades de energía más altas (energía por peso o energía por volumen), pero también una mayor propensión a oxidarse (incendiarse) durante un cortocircuito drástico o un impacto severo. Los fabricantes de celdas y los ingenieros de baterías pasan mucho tiempo monitoreando las celdas y los módulos, tanto durante la fabricación como durante el uso durante la vida útil del automóvil, para limitar la posibilidad de oxidación.
El segundo tipo, mucho más utilizado en China, se conoce como fosfato de hierro y litio o LFP. (Esto a pesar del hecho de que Fe es el símbolo del hierro en la tabla periódica, mientras que F es en realidad flúor). Las celdas de fosfato de hierro tienen una densidad de energía considerablemente más baja, por lo que se necesitan baterías más grandes para proporcionar la misma cantidad de energía (y, por lo tanto, impulsar rango) como baterías basadas en NMC.
Sin embargo, lo que compensa eso es que las células LFP tienen menos probabilidades de oxidarse si se acortan. Las células LFP tampoco utilizan metales raros y costosos. Tanto el hierro como el fosfato se utilizan en una variedad de aplicaciones industriales en la actualidad, y ninguno de los dos se considera raro o de recursos limitados. Por esas razones, las celdas LFP son menos costosas por kilovatio-hora.
El costo más bajo llevó a Tesla (y más recientemente ford) para usar celdas LFP en sus vehículos eléctricos de modelo base, ahorrando los productos químicos más caros y de mayor energía para modelos más caros en la línea.
En cuanto al otro electrodo de la celda, el ánodo, hoy en día la mayoría de ellos están hechos de grafito.
Software program de batería para vehículos eléctricos
A diferencia de su celda básica AA o AAA, una batería EV requiere una gran cantidad de software program para controlar las cosas. Puede esperar que una celda AA o AAA dure, como máximo, un par de años. Los fabricantes de automóviles, sin embargo, garantizan los componentes de la batería de sus vehículos eléctricos, a menudo por alrededor de una década o hasta 150,000 millas de uso.
Todo baterías para vehículos eléctricos perder algo de capacidad de carga con el tiempo. Con datos limitados disponibles, es difícil profundizar en los detalles de estas pérdidas. En common, el pérdida de rango después de 100,000 millas podría ser del orden del 10 al 20 por ciento. En otras palabras, un EV originalmente capaz de entregar 300 millas de alcance todavía obtendría entre 240 y 270 millas de alcance en este punto de su ciclo de vida.
Para asegurarse de que eso suceda, los módulos de la batería y el paquete en sí tienen una serie de sensores para monitorear la energía entregada por cada componente (idealmente, idéntica en todas las celdas y módulos) y el calor del paquete. Un paquete de software program conocido como sistema de administración de batería (BMS) controla esta información.
Al igual que los humanos, las baterías son susceptibles a los cambios de temperatura y funcionan mejor a alrededor de 70 grados Fahrenheit. Si el paquete de baterías de un EV muestra signos de calentarse demasiado, el BMS de la mayoría de las baterías HEV, PHEV y BEV modernas hará round refrigerante a través del paquete para disipar el calor y acercar la temperatura a los 70 grados. Las baterías entregan menos energía en condiciones de frío extremo. Si el propietario de un EV preacondiciona su vehículo, entonces su software program de management y BMS pueden usar energía de la pink (si está enchufado) o quizás algo de energía de la batería para calentar la batería. El preacondicionamiento permite que la batería de un EV entregue un nivel de potencia específico tan pronto como el conductor arranca.
Nueva tecnología de baterías para coches eléctricos
La tecnología de las baterías siempre está evolucionando. Aunque los vehículos eléctricos de hoy en día utilizan de forma abrumadora paquetes de iones de litio, es possible que muchos de los automóviles alimentados por batería del mañana utilicen paquetes con diferentes componentes químicos. Por ejemplo, baterías de estado sólido que usan celdas con un electrolito sólido son una alternativa prometedora en la que muchos fabricantes están invirtiendo. De hecho, Toyota planea introducir un vehículo con una batería de estado sólido para el mitad de la decada.
Las baterías de estado sólido deben ofrecer una mayor densidad de energía que debería permitir un mejor rango de conducción en relación con una batería de iones de litio related. Sin embargo, esta tecnología innovadora aún tiene mucho camino por recorrer, ya que los ingenieros trabajan para reducir los costos de materiales para producir células de estado sólido. Del mismo modo, la vida útil de estas células deberá mejorar drásticamente para adaptarse a los miles de ciclos de descarga completa de un HEV, PHEV o BEV.
De todos modos, el futuro de los vehículos que funcionan con baterías es prometedor. Buscar nuevas tecnologías para mejorar la eficiencia y la autonomía de los coches eléctricos, y que los costes de los paquetes de baterías de iones de litio disminuyan notablemente en los próximos años.
Editor colaborador
John Voelcker editado Informes de coches ecológicos durante nueve años, publicando más de 12,000 artículos sobre híbridos, autos eléctricos y otros vehículos de baja y cero emisiones y el ecosistema energético que los rodea. Ahora cubre tecnologías automotrices avanzadas y política energética como reportero y analista. Su trabajo ha aparecido en medios impresos, en línea y de radio que incluyen Cableado, Fashionable Science, Tech Overview, IEEE Spectrumy «All Issues Thought of» de NPR. Divide su tiempo entre las montañas Catskill y la ciudad de Nueva York, y todavía tiene la esperanza de convertirse algún día en un hombre misterioso internacional.
