La tecnología de baterías es vital para lograr avances significativos en una amplia gama de industrias, desde vehículos autónomos, robótica y drones hasta energía renovable. Se requiere que la mayoría de los robots sean autónomos y no tengan suministro de CA; por lo tanto, deben depender totalmente de las baterías como fuente de energía.
Deben ser portátiles, compactos, livianos, libres de mantenimiento, económicos, robustos, resistentes al abuso y seguros en uso y en condiciones de accidente, estables para proporcionar suficiente energía durante la mayor parte de la descarga y capaces de recargarse con una capacidad de muchas cargas. y ciclos de descarga. Esta tecnología de baterías catapultó a la parte superior de la lista de prioridades para muchos jugadores, lo que generó un auge masivo en la inversión, ya que las empresas intentan construir posiciones clave en el mercado.
Tras la invención de la batería recargable hace casi 150 años, la investigación ha dado lugar a una amplia gama de tecnologías que se utilizan en la actualidad. Sin embargo, cada tecnología tiene sus fortalezas y debilidades; por lo tanto, los diseñadores de productos/tecnologías deben elegir sabiamente para sus aplicaciones particulares.
Antes de analizar cada tecnología de batería, es esencial comprender en qué consisten un paquete de batería y una celda de batería. Un paquete de batería contiene celdas de batería (como las que se encuentran en el control remoto de un televisor) y un sistema de administración de batería, que regula. Una celda de batería, por otro lado, contiene múltiples componentes: fluidos electrolíticos y electrodos que difieren en química, lo que produce diferentes características de batería.
Baterías de plomo ácido
La batería de plomo-ácido es la abuela de todas las baterías recargables. Fueron las primeras pilas recargables jamás fabricadas. Aunque la tecnología está desactualizada, ha resistido la prueba del tiempo y todavía se encuentra entre los tipos más utilizados en la actualidad. Es popular debido a su bajo costo de capital y su capacidad para operar de manera eficiente incluso a bajas temperaturas, lo que a menudo prevalece sobre sus bajas densidades de energía y tiempos de ciclo de vida cortos.
Hay dos familias prominentes de baterías de plomo-ácido. El tipo inundado tiene un costo de capital óptimo, disminuyendo hasta $60/kWh para sistemas grandes. Es menos de un tercio del costo actual de las baterías de litio que se usan en la mayoría de los vehículos eléctricos. Sin embargo, tiene algunas desventajas, como un ciclo de vida bajo, una tasa de carga baja y requisitos de mantenimiento, en los que la batería debe complementarse con agua para permanecer «inundada». La segunda familia denominada baterías selladas aplica un diseño un poco más avanzado que no requiere suministro de agua. Esto elimina los costos de mantenimiento y aumenta el ciclo de vida, pero duplica el costo de capital.
ventajas:
- Tipo de batería líder en el mercado
- Disponible en grandes cantidades
- Disponible en variedades de tamaños y diseños.
- Eficiencia relativamente alta
- Bajos costos específicos
Desventajas:
- Ciclo de vida bajo
- Densidad de energía limitada
- Evolución de hidrógeno en algunos diseños.
- Altos costos de mantenimiento
Baterías de iones de litio
En la última década, las baterías de iones de litio (Li-ion) han ganado una enorme atención. Aunque ya se comercializó en 1991, las constantes mejoras en el costo marginal y el rendimiento durante los últimos 25 años han desbloqueado una serie de nuevas aplicaciones, lo que hace que las noticias de última hora relacionadas con las baterías sean algo común. La rápida disminución de los costos se debe principalmente a dos factores fundamentales: primero, el aumento masivo de la escala en todos los pasos de la cadena de valor de fabricación. En segundo lugar, el aumento en el rendimiento de las celdas, abaratando las celdas en función del costo/kWh.
La búsqueda constante de potentes componentes de batería ha llevado ahora a una variedad completa de composiciones de baterías de iones de litio. Si bien una batería perfecta sigue siendo un trabajo en progreso, las diferentes variantes de los tres componentes principales de la batería (ánodo, cátodo y sistema de electrolitos) conducen a algunas fortalezas y debilidades. En los sistemas actuales, por ejemplo, el cátodo limita la potencia, mientras que el ánodo limita la carga.
ventajas:
- Alta densidad de energía
- Alta relación potencia/capacidad
- Poco o ningún mantenimiento
- Baja autodescarga
- Alta eficiencia energética
- Larga vida útil del calendario
- Un gran número de ciclos.
Desventajas:
- Seguridad: la necesidad de un circuito de protección
- Altos costos iniciales
- Fuga térmica posible cuando se sobrecarga o aplasta
Su química de cátodo comúnmente clasifica las baterías de iones de litio actuales. Actualmente hay cinco soluciones disponibles:
LCO (óxido de cobalto de litio)
La química de cátodos más madura es LCO (óxido de cobalto de litio), que ha hecho posible la comercialización de iones de litio. Produce celdas con la mayor densidad de energía volumétrica, pero con la desventaja de baja densidad de potencia y baja capacidad de ciclado. El costo está demostrando ser un problema cada vez más importante ya que el cátodo está hecho completamente de cobalto. Los esfuerzos actuales por innovar se centran en exprimir hasta las últimas gotas de rendimiento de la batería aumentando el voltaje y la capacidad energética del material. A menos que exista una mejor alternativa, esta tecnología seguirá siendo el cátodo de elección en la electrónica de consumo por dos razones: tiene la densidad de energía volumétrica más alta y, en estas aplicaciones, la disposición a pagar es generalmente más alta.
LFP (litio-hierro-fosfato)
Las baterías LFP (litio-hierro-fosfato) adoptan un enfoque diferente. El cátodo consiste en hierro y fosfato más abundantes, lo que resulta en un menor costo de materia prima. Sin embargo, las celdas producidas con LFP tienen una baja densidad de energía debido al bajo voltaje y la baja capacidad de energía inherentes a la LFP, lo que eventualmente la convierte en una batería más costosa cuando se mide sobre una base de costo/kWh. Debido a su estructura rígida de olivino, el material del cátodo todavía se ve favorecido, lo que le da al material su potencia extremadamente alta y su largo ciclo de vida.
Esta tecnología ya está muy cerca de su máximo rendimiento teórico, dejando poco margen, aparte de la reducción de costes, para mejoras adicionales. La industria china de baterías ha crecido dramáticamente a lo largo de la ruta de producción barata de LFP mediante el uso de hornos rotatorios. Dado que otras tecnologías están evolucionando, los materiales de mayor rendimiento están reemplazando gradualmente a LFP en aplicaciones como los vehículos eléctricos, dejando el mercado inundado con un exceso de capacidad de LFP barato. Por el contrario, el LFP de alto rendimiento, comúnmente producido a través de métodos hidrotermales, mantendrá una posición sólida en aplicaciones de alta potencia (por ejemplo, HEV y herramientas eléctricas) o de ciclo de vida alto (CEV, almacenamiento en red).
NCA (óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio)
El NCA (óxido de aluminio, cobalto, níquel y litio) es un material de cátodo con un alto contenido de energía. El enfoque actual es aumentar aún más el contenido de níquel, lo que da como resultado una mayor densidad de energía y, al mismo tiempo, reduce el uso de cobalto, reduciendo efectivamente el costo / kWh de dos maneras. Tesla utiliza principalmente NCA, mientras que todos los demás fabricantes de vehículos eléctricos utilizan NCM. Eso se remonta a la primera vez que Tesla produjo su Roadster (2005). Se necesitaba una celda económica de alta densidad de energía, y NCA era la única opción en ese momento, ya que NCM no se comercializaría hasta 2009. Lo más probable es que Tesla continúe usando NCA en su ciclo de desarrollo actual, como está acostumbrado. utilizándolo en el formato de celda cilíndrica suministrado por Panasonic. Sin embargo, para las aplicaciones de almacenamiento de energía, Tesla ya cambió a NCM, lo que sugiere que pronto podría ocurrir un cambio futuro para los vehículos eléctricos.
NCM (óxido de manganeso de cobalto de níquel de litio)
El NCM (óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso) es un material diverso que depende del equilibrio estequiométrico entre el níquel, el cobalto y el manganeso. Una relación uniforme (llamada NCM 1-1-1) es más adecuada para aplicaciones de alta potencia, mientras que los contenidos más altos de níquel (5-3-2 o 6-2-2) proporcionan una mayor densidad de energía y, al mismo tiempo, reducen la dependencia del cobalto. . Estas son dos razones críticas por las que la industria está intentando comercializar el NCM 8-1-1 rico en níquel; se espera que los principales productores tengan las primeras soluciones en el mercado a principios de 2018. El NCM sigue siendo el material de cátodo elegido por casi todos los fabricantes de vehículos eléctricos (aparte de de Tesla) hasta el uso de materiales de cátodo superiores de 5V. Incluso entonces, debido a los ciclos de desarrollo prolongados y conservadores de la industria del automóvil, la NCM se seguirá utilizando durante otros 5 a 7 años. En otras aplicaciones, NCM también será la opción ocasional, como almacenamiento de energía, HEV y e-buses.
LMO (óxido de manganeso de litio)
LMO (óxido de manganeso de litio) es similar a LFP porque puede entregar alta potencia y carece de densidad de energía, pero es de 2 a 3 veces más barato. El principal problema que impide su adopción masiva es su baja estabilidad, como lo demuestra el reciente cambio de Nissan de usar la tecnología debido al continuo mal funcionamiento de la batería.
Indicadores clave de rendimiento de la batería
Los indicadores de rendimiento de la batería identifican los cálculos clave necesarios para evaluar correctamente los sistemas de baterías recargables. Realizan la evaluación de un sistema de baterías en función de parámetros como la energía almacenada por masa (energía específica) o volumen (densidad de energía) de una celda, potencia (energía por tiempo y volumen o peso), vida útil, respeto al medio ambiente, seguridad y costes por energía almacenada. Puede ver algunos de los indicadores clave de rendimiento de la batería a continuación:
- Coste de capital (EUR/kWh) – el costo inicial para comprar una batería (excluyendo O&M)
- Seguridad – Resistividad contra la fuga térmica
- Ciclo de vida – Es el número de ciclos que una batería puede descargarse del 100% al 20% hasta que la capacidad se desvanece al 80% de su capacidad original.
- La densidad de energía (Wh/kg o Wh/L) – Cantidad de energía que puede contener una batería, medida por peso o volumen
- Densidad de potencia (tasa C) – Velocidad a la que se descarga una batería en relación con su capacidad máxima
- Tiempo de carga (tasa C) – Es la velocidad a la que se carga una batería en relación con su capacidad máxima.
- Fiabilidad – Es la capacidad de operar en bajas temperaturas o condiciones extremas
- Otros: otras propiedades, como costos de mantenimiento, vida útil en almacenamiento, autodescarga o eficiencia de carga