Baterias de Alto desempeño para Vehículos de Tracción

Hace apenas una década, el uso de vehículos eléctricos no parecía ser una opción de seria consideración en el futuro cercano. Las diversas limitaciones técnicas, el desconocimiento y la poca confianza en la tecnología, mantuvieron a raya todo intento de comercialización masiva. Sin embargo, hoy día, el escenario resulta más promisorio, principalmente por las mejoras asociadas al desempeño de las baterías modernas. En la actualidad, se percibe que la adopción a gran escala de los vehículos eléctricos es una cuestión de trámite, que bien puede retrasarse pero a la postre será la opción legítima para la automoción.
Con el surgimiento de las primeras pilas voltaicas a principios del siglo XVIII, por parte del científico italiano Alexandro Volta, se produjo uno de los primeros hitos de la industria eléctrica. A partir de entonces los avances en materia de acumulación de energía fueron incrementándose. Con las mejoras a los diseños se ampliaba paralelamente el espectro de aplicaciones para las baterías. Ya para la década de 1870 la generación eléctrica logra ser un invento de uso comercial. Esto brindo una forma práctica de recargar las baterías y poder así almacenar la energía eléctrica de forma más o menos eficiente.

¿Como suministra energía una batería?

El principio de funcionamiento de todas las baterías radica en una reacción química en la cual se da un intercambio de electrones entre dos compuestos. El proceso químico que se conoce como reacción de reducción y oxidación (proceso REDOX). Las baterías están formadas por celdas que se conectan entre sí (generalmente en serie). La corriente fluye al cerrar el circuito entre dos electrodos, anodo (-) y catodo (+), que están sumergidos en un electrolito. Las celdas están compuestas por una combinación de al menos dos elementos o compuestos que sirven como anodo y catodo. En resumen, todo se relaciona con la energía química almacenada en los elementos que las componen, la cual es transformada en energía eléctrica.
Existe un gran número de elementos y substancias a partir de las cuales se puede construir una batería. El detalle está en que tan eficientes puedan ser estas combinaciones. En las baterías primarias, que no se recargan, el proceso es irreversible o al menos esta muy limitado. En cambio, en las celdas secundarias la reacción REDOX se invierte al hacer circular una corriente inversa a través de los electrodos. Entonces la batería se carga.

      Proceso REDOX

La celda de Daniell, fue una de las primeras, inventada en 1836, es una de las representaciones más básicas. Consiste de dos electrodos de cobre y zinc, inmersos en dos soluciones de sulfato de cobre y sulfato de zinc respectivamente. Esta combinación produce una fuerza magnetomotriz de 1.10V.

Esquema de la celda de Daniell

Uno de los tipos de batería de uso más cotidiano es la de plomo-acido, inventada en 1859 por Gastón Planté. Su diseño es bastante sencillo y consiste de una combinación de rejillas y platos de plomo apilados y sumergidos en ácido clorhídrico. El voltaje típico que produce cada celda es ligeramente superior a 2V. Las celdas son conectadas en serie para lograr los voltajes estándares. Por ello es habitual que una batería de 6V está compuesta de 3 celdas y que una de 12V dipsonga de 6 celdas. A pesar de su popularidad y amplia utilización, la batería de Plomo – Acido no tiene una alta densidad de carga comparada con otros acumuladores más eficientes. Sin embargo, resulta ser muy utilizada debido a su bajo costo y su capacidad de suministrar, momentáneamente, altos picos de corriente. Esto la ha hecho especialmente adecuada para aplicaciones de arranque de automóviles.

Las baterias que utilizan electrolitos acuosos (que incluyen agua) tienen, en la práctica, limites de voltaje cercanos a los 2 V. Esto debido a la disociación del hidrogeno y el oxígeno en presencia de voltajes mayores a este nivel (proceso de electrolisis). Los electrolitos no acuosos no tienen este problema y tipicamente pueden manejar voltajes entre 2.7 y 3.7V, aunque estan asociados a mayores resistencias internas.

La Nueva Tecnología

Por mucho tiempo, la principal traba para el desarrollo de la tracción eléctrica estuvo asociado al insuficiente rendimiento que ofrecían las baterías. Sin embargo, hoy día se ha logrado cierta autonomía ya que las cargas típicas permiten realizar recorridos que sobrepasan los varios cientos de km. En el ámbito de los vehículos eléctricos hay dos tecnologías que presentan las mayores ventajas de rendimiento para aplicaciones de tracción y son las baterías de Nickel Hidruro Metalico (NiMH) e Ion de Litio (Li-ion). Si se compara con una batería de plomo convencional, encontraremos que la batería Nickel e Hidruro Metálico tiene aproximadamente 2 veces más energía para el mismo peso. Esta es la principal ventaja de las celdas modernas, las cuales al tener mayor capacidad de almacenamiento de energía hace que estas sean mucho menos pesadas y voluminosas. La mayoría de los vehículos eléctricos de la actualidad utilizan una batería de NiMH. Esta ha probado tener durabilidad y buen desempeño con una energía específica que oscila entre 60–120 Wh/Kg. Las baterías de Ión de litio tienen todavía mayor energía específica (100-250 Wh/Kg). Sin embargo, a pesar de que son el estándar en equipos electrónicos, su uso en una escala mayor todavía se encuentra en una etapa de menor madurez tecnológica y por tanto representan una opción mucho más costosa. Uno de los aspectos a superar en la batería Li-ion son los requerimientos de enfriamiento y su corta vida calendario. Frecuentemente, estas celdas son sobrediseñadas para operar alrededor de un 60% de su capacidad y poder obtener mayor longevidad con el uso. Tanto la batería de NiMH como Li-ion tienen una impedancia de recarga igual a la de descarga tienen una impedancia de recarga y que es aproximadamente 3 veces menor que la de una batería equivalente de Plomo Ácido. Esto les permite a aquellas un reabastecimiento de carga en un tiempo más corto en comparación con las últimas.

Aunque las celdas de NiMH son el referente en los vehículos de tracción, se prevé que en un futuro no muy lejanos las celdas de Li-ion permitirán mayores niveles de eficiencia a costos aceptables para aplicaciones comerciales. Una tecnología emergente que debemos observar muy de cerca es la de la batería de Litio-aire (Li-air). Según expertos esta podría tener una energía específica aprovechable cercana a los 2,000 Wh/kg, es decir, unas 10 veces mayor que las celdas de Ion de Litio vigentes. Sin embargo, todavía existen muchos aspectos técnicos con los cuales los fabricantes deben lidiar. La alta densidad de carga se debe a que esta celda tendría un cátodo de aire. El oxígeno no tendría que ser almacenado en la batería sino que sería absorbido del aire por tanto la batería resulta mucho menos pesada. Actualmente, estas celdas están siendo estudiadas por varios fabricantes e investigadores. Se espera que en el futuro las baterías de Litio-Aire permitan viajes de hasta 800km con una sola recarga. El proyecto Battery 500 de IBM ya reclamó este logro en 2012, según estimaciones la tecnología podría estar en las calles para las décadas de 2020 o 2030.

Diseño de la Bateria de Litio Aire de IBM

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