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Baterías de litio para vehículos eléctricos

El vehículo eléctrico tiene su talón de Aquiles en las baterías. Precio y autonomía condicionan la implantación del coche eléctrico,
La causa principal para que no se masifique la industria del coche eléctrico es la baja densidad energética de las baterías de Litio-ión.
Entre otras empresas IBM ha emprendido un audaz proyecto llamado “Battery 500”, para desarrollar mediante nanotecnología una batería de Litio-aire que tenga una autonomía de recorrido por carga de 500 millas (800 kilómetros), logrando una densidad energética de 1.500 a 2.000Wh/kg. Otra ventaja de estas baterías sería que necesitan menos compuestos y serían más sencillas que las actuales, cuyo resultado sería baterías más baratas.
Según IBM la fase de estudio científico llevará unos tres años y se estima una comercialización para el año 2020. Si el producto sale adelante, se produciría la esperada revolución energética con el despegue del automóvil eléctrico.
Así funciona la batería de Litio-aire. El principio se puede comparar con el motor de gasolina, que toma el aire del exterior para realizar la combustión interna. En esta batería, se toma el aire del exterior para provocar una reacción química. Durante la descarga (conducción), el oxígeno del aire aspirado reacciona con los iones de litio, formando peróxido de litio en una matriz de carbono. Al recargar, el oxígeno es devuelto a la atmósfera y el litio vuelve al ánodo. Se reemplaza el pesado cátodo de óxido metálico de las baterías actuales por un ligero cátodo de aire. El ánodo consiste en una carcaza con carbonato de litio.
También grupos de investigación en las universidades de Hanyang (Corea), de Roma Sapienza, del Changchun Institute of Applied Chemistry en China y del Massachusetts Institute of Technology (MIT) en EEUU, han publicado algunos resultados de los experimentos, entre los que destaca un nuevo compuesto que permite a las baterías de Litio-aire tener una vida útil mucho más larga.
Existen rumores de que ya hay fabricantes probando esta tecnología. 
A la mencionada desventaja del peso de estas baterías se añade su elevado precio. Tomaremos como ejemplo el automóvil eléctrico Nissan Leaf, el más vendido, que tiene una batería con capacidad de 24kWh y potencia de 80kW; su autonomía de recorrido es de 175 kilómetros. Tomando del cuadro una densidad energética media, la batería tendría un peso de 24.000/135 = 178 kilogramos.
Se estima que por cada kWh se necesita 1,5 kilogramos de carbonato de litio, de modo que la batería del coche eléctrico Nissan Leaf necesitaría 24×1,5 = 36 kg (el 20% del peso de la batería), que al precio de 2012 de $us 5/kg costaría $us 180, que representa menos del 1% del precio del automóvil eléctrico.
Actualmente el precio de estas baterías es muy alto, debido a los fuertes gastos incurridos en su investigación y desarrollo. Según la Sociedad Electroquímica de los Estados Unidos, a fines de los 70 uno de cada tres trabajos era sobre baterías de litio, que se incrementó a más del 90% en 2010. En el Nissan Leaf que en EEUU costó $us 33.000 el 2012, $us 16.500 correspondieron al precio de la batería, vale decir que el exagerado precio unitario de energía de la batería fue de 16.500/24 = $us 688/kWh.

EL FUTURO DEL COCHE ELÉCTRICO
Por el continuo desarrollo tecnológico de la batería de Litio-ión (por ejemplo el incremento de la densidad energética) y la competencia entre fabricantes, en el futuro los precios de estas baterías se irán reduciendo y seguirá incrementándose su demanda (aunque en 2012 todos los fabricantes vendieron menos automóviles eléctricos de los proyectados). La producción mundial de litio en 2011 fue de 30.000 toneladas y su crecimiento anual entre 2004 y 2011 el 9,4%, valores que aumentarían mucho si se masificara el uso de estos automóviles.
Sin embargo, el gran y ansiado repunte de la industria del automóvil eléctrico, que dispararía la demanda de litio, se daría si se hace realidad la batería de Litio-aire, que con su densidad energética media, la batería pesaría solo 24.000/1.750 = 14 kilogramos. Además de ser más barata y sencilla, le daría al automóvil eléctrico una autonomía de recorrido mucho mayor, convirtiéndolo en competidor aventajado del contaminador automóvil propulsado por combustibles fósiles.
Las limitadas reservas de petróleo y fundamentalmente los graves problemas ambientales derivados de la utilización cada vez mayor de motores de combustión, alimentados por derivados del petróleo, que ocasionan el calentamiento global, cuyos efectos comienzan a sentirse cada vez con mayor intensidad, han movido a buscar un sustituto energético limpio del petróleo, en principio por lo menos para el accionamiento de automóviles ligeros. William Tahil indicaba en 2007 que la flota automovilística mundial era de 1.000 millones de vehículos y que anualmente se producían 60 millones.
Por la excepcional cualidad del litio, de su elevada densidad energética, es decir la relación que hay entre la cantidad de energía que puede acumularse y su peso (tiene un peso específico de 0,53, muy bajo por ejemplo frente a otros elementos utilizados en baterías como 11,36 del plomo, 8,90 del níquel y 8,65 del cadmio), es la mejor alternativa para la fabricación de baterías que accionen los automóviles eléctricos, por lo que muchas empresas están inmersas en el desarrollo de baterías de litio que provean tanto autonomías de recorrido como velocidades aceptables (a mayor velocidad menor recorrido y a la inversa), que por el momento y a pesar de los avances de las baterías de Litio-ión, no son las deseables y por ello la industria del automóvil eléctrico no tiene el avance que se había previsto. Algunas potencias y recorridos ofrecidos por fabricantes de automóviles eléctricos son: Peugeot iOn 49 kW y 150 Km; Renault Zoe 65 kW y 210 Km y Nissan Leaf, 80 kW y 175 Km.

El desarrollo de la densidad energética de los principales tipos de acumuladores de energía (baterías) en Watts.hora/kilogramo (Wh/kg) puede resumirse en el cuadro que sigue, donde se ha incluido el petróleo para compararlo especialmente con las baterías utilizadas para accionar automóviles eléctricos.
Como se observa del cuadro, todas las baterías, excepto la de Litio-aire, que está en la fase experimental, están demasiado lejos de la densidad energética del petróleo. Las baterías de Litio-ión son las más utilizadas en los automóviles eléctricos y su densidad energética es 65 a 130 veces menor a la del petróleo, por lo que pesan bastante y aún así los recorridos por carga son muy limitados.
Las baterías de Plomo-ácido se las usa principalmente para motores de arranque de automotores. Las baterías de Níquel-Cadmio, Níquel-Metal-Hidruro (NiMH) y Litio-ión, así como las pilas alcalinas son utilizadas en dispositivos electrónicos (celulares, laptops etc.). Las baterías de Litio-ión son usadas también para el accionamiento de automóviles eléctricos o híbridos y las baterías de Litio- aire, que están en desarrollo, accionarían automóviles eléctricos con gran autonomía de recorrido.
La eficiencia energética de las baterías de Litio-ión es de 90%, comparada con 82% de las baterías de Plomo-ácido y 70% de las de NiMH. Las batería de Litio-ión pueden generar voltajes mucho mayores que las de NiMH. En lo que a ciclos de carga y descarga soportados se refiere, se tiene unos 1.400 para el NiMH frente a los 2.500-3.000 del Litio-ión.

Por: javier Espinosa. HidrocarburosBolivia