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Baterías más eficientes

La mayor limitación tecnológica del automóvil eléctrico es el sistema de almacenamiento de energía, que tiene relación directa con su autonomía

Ensayos de resistencia de las baterías de iones de litio de CPqD utilizadas en vehículos eléctricos

Léo Ramos Chavez

Consorcios de investigación de Asia, Europa y Estados Unidos, integrados por fabricantes de baterías, ensambladoras de automóviles, universidades y centros de innovación, compiten en una carrera por lograr una batería que presente una mayor densidad de energía (la cantidad de energía almacenada por su volumen), tenga una vida útil más extensa, un menor costo y sea más segura. Actualmente el valor de la batería representa hasta un 50% del precio del automóvil, pero su costo viene disminuyendo de manera acentuada. El precio de la batería, en términos de su capacidad de almacenamiento, ronda los 300 dólares por kilovatio-hora (kWh), alrededor de 960 reales por kWh. Hace siete años ese valor era tres veces mayor.

Simultáneamente, la misma se ha tornado más eficiente desde el punto de vista energético, proporcionando mayor autonomía a los vehículos, pues cuanta más energía acumula la batería, mayor kilometraje puede rodar el vehículo. Su densidad energética se ha triplicado con creces en los últimos siete años, alcanzando alrededor de 350 vatios-hora por litro (vea la infografía). Un vatio-hora (Wh) corresponde a una potencia de 1 vatio por hora y es la unidad que se usa para la medición de energía eléctrica, al tiempo que el litro (L) se refiere al volumen de la batería.

El estado del arte en términos de batería son las de iones de litio, similares a las que se usan en celulares y computadoras portátiles. “La gran ventaja de estas baterías es su alta densidad energética. Al ser un metal liviano, el litio es capaz de almacenar mayor cantidad de energía en espacios menores”, resalta la química Maria de Fátima Rosolem, investigadora del Área de Sistema de Energía de CPqD. “Además, posee un electropotencial elevado, es decir, la capacidad de ganar o perder electrones, que es el principio básico de la generación de corriente eléctrica”, detalla.

Las baterías están constituidas por una o varias células de iones de litio interconectadas en un mismo conjunto. Los tipos más comunes son las cilíndricas, parecidas a las pilas pequeñas, que miden 18 milímetros (mm) de diámetro por 65 mm de altura. El segundo modelo, conocido bajo la denominación pouch, tiene un formato plano y achatado. Finalmente, también están las prismáticas, que se asemejan a una caja rectangular del tamaño de un libro. Como la célula tiene una tensión promedio de 3,6 voltios (V) y un auto eléctrico necesita entre 300 y 600 V para su funcionamiento, en la batería se usan cientos o miles de células de litio para generar energía. Los modelos de Tesla, por ejemplo, tienen 7.400 células cilíndricas, empaquetadas en módulos menores, dispuestos en el piso del vehículo.

El problema del litio es la seguridad en su manejo. “Las baterías trabajan correctamente a una temperatura de hasta 25 grados Celsius. Por encima de eso se necesita mantenerlas refrigeradas. Si se recalientan pueden causar una explosión”, dice el ingeniero electricista Celso Novais, del Programa Vehículo Eléctrico de Itaipú Binacional. Para superar esta limitación, la batería cuenta con un circuito electrónico que la administra y la mantiene funcionando en condiciones adecuadas de temperatura, corriente y tensión.

El desbalanceo de la batería, que se produce cuando sus células trabajan a un ritmo diferente, también disminuye su poder de reciclado (la cantidad posible de descargas y recargas) y por ende su vida útil, actualmente en torno a ocho años. “Una vez transcurrido ese período, pierden hasta un 30% de su capacidad inicial. Pero puede reaprovechárselas para otras aplicaciones, tales como almacenamiento de energía fotovoltaica domiciliaria y centrales de telecomunicaciones”, sostiene Rosolem. “Como no contienen metales pesados, se las puede reciclar”. Cuando las baterías se agotan, los propietarios de autos eléctricos deben reemplazarlas o cambiar el vehículo, dado que la batería representa la mitad de su valor. Éste es otro factor que encarece a los autos eléctricos.

Las baterías modernas emplean óxidos metálicos de litio para la confección de la placa positiva (el cátodo) y grafito para la negativa (el ánodo) (observe la infografía). “La composición de las placas es el elemento clave para mejorar el rendimiento de la batería”, dice Rosolem. Los científicos buscan identificar nuevos metales y la mejor combinación de litio con otros materiales para optimizar su densidad energética. Hay dos propuestas que son las baterías de zinc-aire y litio-aire que consiguen almacenar dos veces más energía que los modelos de iones de litio, pero aún se encuentran en fase de desarrollo.

Recarga por inducción
En mayo de este año, la fabricante de chips para smartphones Qualcomm presentó una tecnología de recarga de batería con el coche en movimiento. Esta tecnología, denominada Dynamic Electric Vehicle Charging System (DEVC), provee energía para la batería por inducción (sin que haya contacto entre el automóvil y el cargador, instalado en el suelo) durante el desplazamiento del vehículo sobre un pavimento especial, dotado de una especie de red electrificada. La ventaja del DEVC reside en que los vehículos podrían tener baterías menores, sin pérdida de autonomía.

En Brasil, los estudios básicos sobre la química de baterías para autos eléctricos son escasos. Lo más común son los test de tecnologías ya listas y estudios incrementales relacionados con las células ya existentes. “Realizamos estudios de caracterización y envejecimiento en células y desarrollamos baterías completas, con células de iones de litio comerciales, pero proyectando la electrónica de control, el sistema de refrigeración y el empaquetado mecánico”, comenta el investigador Raul Beck, de CPqD.

En la localidad de Foz do Iguaçu (estado de Paraná) el equipo del Programa Vehículo Eléctrico de Itaipú logró construir una batería reciclable de sodio, níquel y cloro, totalmente reciclable. “Nuestro modelo presenta características similares a la de litio en términos de capacidad de almacenamiento y potencia”, explica Celso Novais. “Sin embargo, tiene el formato de un monobloque, que no puede dividirse en módulos menores. Por eso, resulta más adecuada para vehículos eléctricos mayores, tales como autobuses, trenes y camiones”.

El proyecto de nacionalización de la batería de sodio de Itaipú comenzó en 2012. “Ahora estamos trabajando con empresas suizas y alemanas en una versión avanzada del modelo, caracterizada por células planas y compactas, y podrá dividirse en módulos menores. Esperamos que sea más competitiva que las baterías a base de litio y que comience a fabricarse en 2019”, declara Novais.

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