Baterías de sodio: China toma la delantera en su producción

 

Baterías de sodio: China toma la delantera en su producción

 

CATL (Contemporary Amperex Technology Co.), el mayor fabricante de baterías del mundo, ha anunciado quién será el primer cliente en utilizar sus nuevas baterías de ion-sodio. La empresa es uno de los principales proveedores de grandes compañías de vehículos eléctricos, como Tesla, Polestar o MG Motors.

Presentó sus baterías de sodio por primera vez en julio de 2021. Ahora, la compañía china ha anunciado en sus redes sociales que Chery, fabricante de automóviles también de origen chino, será el primero en utilizarlas en sus coches eléctricos.

 

 En la localidad de Changsha, los graduados de la Universidad Central del Sur están trabajando en el desarrollo de tecnología alrededor de la durabilidad, estabilidad y sostenibilidad de las baterías de sodio en laboratorios de investigación respaldados por grandes empresas como la alemana BASF, considerada como la mayor fabricante de productos químicos en el mundo.

Una de las primeras grandes fábricas de productos químicos para baterías de sodio se está construyendo  en cercanías de esos centros de investigación, lo que pone a China en una posición aún más dominante en la industria.

 Chery  anunció que colaborará con CATL para promover una serie de baterías de la marca Na-ion conocida como ENER-Q. Se espera que sus soluciones se incorporen a los modelos de vehículos producidos en masa de Chery, como el iCAR 03.

Para ENER-Q, CATL y Chery ponen el énfasis en la relación costo-rendimiento. La batería puede funcionar en entornos de baja temperatura tan frío como menos 30 grados centígrados y cuenta con un mecanismo para la auto-vigilancia constante. Además, da vida útil y alcance, respectivamente, llega a ocho años y 800.000 kilómetros.

 Chery iCar 03. Es un todoterreno eléctrico con 500 km de autonomía y un sistema solar fotovoltaico. Cuenta con un cuerpo de 4.37 metros de largo y está asentado bajo la nueva plataforma eléctrica S5X de Chery, se destaca por contar con un sistema con tracción en las cuatro ruedas eléctrica inteligente en tiempo real, y una carrocería de aluminio, componentes estructurales laterales fundidos a presión de una pieza, suspensión de brazo en H totalmente de aluminio y software de absorción de impactos.

El iCAR 03 es que está equipado con un sistema de carga solar. Los paneles solares están integrados en las dos áreas del capó y el techo, que son capaces de alimentar los equipos auxiliares y cargar la batería.

 

Según el fabricante, tomando como ejemplo el área de Shanghái, la energía solar de la instalación puede proporcionar al vehículo unos 2.000 kilómetros de autonomía en un año.

 

El sodio

El sodio es un elemento químico de símbolo Na con número atómico 11 que fue descubierto en 1807. Es un metal alcalino blando,  de color plateado, muy abundante en la naturaleza, encontrándose en la sal marina. Es muy reactivo, arde con llama amarilla, se oxida en presencia de oxígeno y reacciona violentamente con el agua.

 

              

 El sodio está presente en grandes cantidades en el océano en forma iónica. También es un componente de muchos minerales y un elemento esencial para la vida.

Actualmente se obtiene por electrólisis de cloruro sódico fundido (proceso Downs), procedimiento más económico que el anteriormente usado, la electrólisis del hidróxido de sodio (proceso Castner-Kellner). Es el metal alcalino más barato.  El compuesto más abundante de sodio es el cloruro sódico o sal común, aunque también se encuentra presente en diversos minerales como halita y zeoli.

 

La batería

La batería de ion de sodio o batería de sodio-ion es un tipo de batería recargable que utiliza iones de sodio (Na+) como portadores de carga eléctrica. Su principio de funcionamiento y la construcción de sus celdas son casi idénticos a los de la batería de ion de litio, pero sustituyendo el litio por sodio.

La mayor ventaja de las baterías de iones de sodio es la abundancia de sodio en la naturaleza.​ Los retos para la adopción de las baterías de ion de sodio incluyen la baja densidad energética y los insuficientes ciclos de carga-descarga.

Las baterías de iones de sodio constan de un cátodo basado en un material que contiene sodio, un ánodo (no necesariamente contiene sodio) y un electrolito líquido que contiene sales de sodio disociadas en disolventes.

 

Durante la carga, los iones de sodio se desplazan del cátodo al ánodo, mientras que los electrones viajan por el circuito externo. Durante la descarga, se produce el proceso inverso.

Los iones Na+ (1,02 Å) son más grandes que los iones Li+ (0,76 Å), lo que termina por afectar las propiedades de transporte y a la formación de la interfase sólido-electrolito. El sodio también es más pesado que el litio y tiene un potencial de electrodo estándar más alto (-2,71 V frente a -3,02 V para el litio); por lo que el sistema basado en el sodio se queda corto en términos de densidad energética.

En toda batería, el electrolito es el medio que mantiene el flujo de energía, este se forma al disolver sales en un disolvente adecuado, dando lugar a especies químicas cargadas que fluyen entre los electrodos, estableciendo el flujo de energía. Pero, con los repetidos ciclos de carga y descarga, las reacciones electroquímicas que tienen lugar en el electrolito se hacen más lentas o parecen reacciones laterales que terminan disminuyendo el rendimiento de las baterías hasta el punto de no poder recargarse más, y este efecto se aparece más rápido en las baterías de sodio que en las de litio.

 Las baterías de iones de sodio tienen varias ventajas sobre las tecnologías de baterías con las que compite. En comparación con las baterías de iones de litio, las baterías de iones de sodio tienen un costo algo inferior, una densidad energética ligeramente inferior, mejores características de seguridad y características similares de suministro de energía.

En la tabla siguiente se compara la situación general de las baterías de iones de sodio frente a las dos tecnologías de baterías recargables establecidas actualmente en el mercado: la batería de iones de litio y la batería de plomo y ácido recargable

 

 Ventajas de las baterías de sodio

Las baterías de sodio-ion presentan diversas ventajas en comparación con las baterías de litio-ion, como:

•          Menor costo: El sodio es un elemento más abundante y económico que el litio, lo que reduce el costo de producción de las baterías.

•          Mayor vida útil: Las baterías de sodio-ion tienen una mayor vida útil y mejor rendimiento a lo largo del tiempo en comparación con las baterías de litio-ion.

 

 En Resumen:

La adopción de las  baterías de sodio de CATL en los vehículos eléctricos de Chery marca un hito en la industria automotriz. Gracias a esta innovación, los consumidores podrán disfrutar de vehículos eléctricos más accesibles, con mayor autonomía y una vida útil más prolongada. La colaboración entre Chery  y CATL es un ejemplo de cómo la innovación y la sostenibilidad  pueden ir de la mano para revolucionar, una vez más, la movilidad eléctrica.

 

 

Ricardo  Berizzo

Ing. Electricista                                                                                    2023.-

Níquel y contaminación

Níquel y contaminación

 El níquel es un material de vital importancia en la fabricación y composición de un tipo determinado de cátodo para  baterías de litio para los vehículos eléctricos. La mayor demanda mundial de este material está protagonizada por la industria del acero inoxidable, la cual consume un total del 70% del mercado actual frente al apenas 10% de la industria de baterías. El aumento de la demanda de este material para la fabricación de baterías hará que se supere la oferta del mismo, algo que se asigna directamente al aumento de la producción de vehículos eléctricos.

 ¿Qué es el níquel?

El níquel es un elemento químico metálico, ubicado en el grupo 10 de la Tabla Periódica y representado por el símbolo Ni. Su número atómico es 28 y forma parte de los llamados “metales de transición”, como el zinc, el cadmio o el mercurio.

El níquel posee cinco isótopos en la naturaleza, y es el más liviano (58Ni) y también el más abundante (68 %), y dieciocho isótopos radiactivos, de los que el 59Ni  es el que tiene mayor período de semidesintegración (76.000 años).

El níquel fue conocido por la humanidad desde el siglo IV a. C. Se sabe que su descubrimiento fue simultáneo al del cobre, dado que es frecuente hallarlo en los minerales en los que abunda este último metal.

 El níquel fue despreciado durante mucho tiempo, apodado “falso cobre” y tenido por un metal inútil o poco valioso. Aunque no se trate ciertamente de un metal precioso, sí es uno de los más demandados en la industria para la fabricación de monedas y como material para aleaciones con hierro, plata y otros metales. Por otro lado, es fundamental para el metabolismo microbiano, ya que el 87 % de las hidrogenasas (enzimas dedicadas a la oxidación del hidrógeno en los microbios) contienen altos porcentajes de níquel como componente activo. Es un buen conductor de la electricidad y del calor, ferromagnético a temperatura ambiente. Dado que es sumamente dúctil y maleable, se lamina, pule y forja con suma facilidad.

 

Obtención del níquel

En general el tratamiento de níquel se basa en tratar los sulfuros de níquel mediante una tostación al aire para obtener el NiO. Este se reduce con carbón para obtener níquel metálico. La purificación del níquel se procede mediante el monóxido de carbono que se combina con el níquel impuro a 50ºC y presión atmosférica o con la mezcla de níquel y cobre, en condiciones más complejas, obteniéndose el Ni(CO)4, que es volátil. Por descomposición térmica a 200ºC se recupera el níquel puro con una elevada pureza.

 

Problemática del proceso industrial

La obtención del níquel metálico está evidenciando problemas ambientales o sociales para las zonas de explotación.

 Por ejemplo, Indonesia ya conoce las consecuencias de liderar la producción del níquel, porque  ha duplicado su consumo de carbón para su proceso industrial. El caso es que  esta industria de obtención del níquel requiere de mucha energía para funcionar. Y  la solución más directa es quemar carbón para conseguirla. Porque Indonesia dispone de grandes cantidades de níquel, pero no de una extensa red para producir energía renovable. Un 60% más de carbón quemado de un año a otro. 

Es un porcentaje enorme para un país que ya estaba entre los que más carbón quemaba. Si en 2021 se consumió unos 763 TWh, en 2022 se aumentó hasta los 1.216 TWh, según datos del Instituto de Energía Mundial.

En 2017, Indonesia producía el 5% del tipo de níquel que se usa en baterías para vehículos eléctricos; en 2022, el 50%, y se anticipa que en 2027 produzca el 80% del mismo.

 

Atenuación del uso del níquel para baterías

La anticipación de esta posible futura evolución del consumo ya fue adelantada por Bloomberg New Energy Finance durante el pasado año 2019, cuando publicaron un informe donde hacía mención al importante crecimiento en la demanda de este material, el cual se esperaba que se multiplicase hasta 16 veces para el año 2030, siendo responsable de más de la mitad de esa demanda, los propios fabricantes de coches eléctricos. 

Baterías compuestas por materiales o combinaciones químicas alternativas como el LFP (fosfato de hierro y litio) o los iones de sodio ayudan para la disminución del uso del níquel. Marcas como BYD ya se han sabido adelantar a este futuro acontecimiento y ha confirmado que ninguna de las baterías de sus modelos eléctricos utilizan níquel. Otro conocido modelo preocupado por eliminar un alto porcentaje de esta materia prima de la composición de su almacenaje energético es el Tesla Model 3, alcanzando niveles nunca antes vistos en un modelo de producción en serie.

Las baterías que utilizan celdas con cátodos LFP son ligeramente menos densas energéticamente que las baterías, NCM (níquel, cobalto-manganeso) o NCA (níquel-cobalto-aluminio) que son las que se emplean habitualmente en la mayoría de los coches eléctricos. 

 Sin embargo, su ventaja radica en que son más baratas, más sencillas de empaquetar y no requieren el empleo de materiales escasos y caros como el cobalto o el níquel. Los cátodos de LFP están compuestos de hierro, fosfato, oxígeno y, a veces, una parte de manganeso. Precisan además sales de litio, separadores de polímeros, ánodos de grafito, colectores de corriente de cobre y aluminio y una carcasa de aluminio. Todos estos materiales son abundantes en la naturaleza, y la mayoría se extraen extensamente a volúmenes relativamente altos en comparación con las necesidades actuales y futuras de los vehículos eléctricos. Además hay que tener en cuenta  que estos componentes son reciclables en diferentes grados.

 

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero  Eléctricista                                                                          2023.-

 

Movilidad eléctrica: Hacia el 99 % de eficiencia

Movilidad eléctrica: Hacia el 99 % de eficiencia

Es bien conocido, pero nunca esta demás recordarlo, que la transmisión típica de un vehículo eléctrico es mucho más eficiente desde la batería hasta las ruedas que su modelo equivalente basado en motores de combustión interna (MCI), la eficiencia aproximada de la transmisión oscila entre el 75% y el 90%  para el vehículo eléctrico a un 20-35%  para el vehículo con MCI.

Los principales componentes del tren motriz de un vehículo eléctrico (batería, inversor, motor y reducción y/o transmisión mecánica) tienen eficiencias en el rango medio a alto del 90 por ciento. Y como se desarrolló en un documento escrito anteriormente (Mapas de eficiencia de vehículos eléctricos), la mayoría de las pérdidas provienen del motor eléctrico, por lo que es el objetivo para mejorar y con ello la eficiencia general de un vehículo eléctrico. 

 

Para dimensionar de que estamos hablando, he aquí, algunos números: mejorar la eficiencia del motor de tracción de, digamos, 94% a 97% requeriría reducir sus pérdidas a la mitad. Y para alcanzar un eficiencia del 99%, se requeriría una reducción francamente heroica de las pérdidas de más del 83%.

 

Repaso de pérdidas

Hay dos categorías principales de pérdidas a considerar: eléctricas y mecánicas. Las pérdidas eléctricas incluyen el I2R, o resistencia óhmica convencional, de los devanados, los cambios dependientes de la frecuencia en esas resistencias debido a efectos superficiales, sobre conductores, y de proximidad, y las  pérdidas incurridas en el circuito magnético en el estator y el rotor, como la histéresis magnética, cuyas pérdidas aumentan con la frecuencia, y el flujo de dispersión cuyas pérdidas son más el resultado de la construcción física del motor.

Las pérdidas mecánicas incluyen fricción en los rodamientos (una función lineal de las RPM), desplazamiento de grasa en los rodamientos (una función cúbica de las RPM) y desplazamiento de aire (o, peor aún, un refrigerante líquido como anticongelante de glicol, aceite, etc) por el conjunto del rotor (también conocido como resistencia al viento, que también es una función cúbica de RPM).

 En un mapa de eficiencia del motor/controlador se describe las diferentes curvas o zonas de eficiencia. La misma se obtiene en función de los parámetros constructivos del motor, principalmente. La eficiencia de las máquinas eléctricas es normalmente inferior a la del  inversor y muestra una mayor variabilidad con el punto de funcionamiento y el tipo de máquina. La figura siguiente muestra que la eficiencia no es constante en una máquina de tracción. La frecuencia de alimentación y la velocidad de rotación modifica de manera sustancial las pérdidas y con ello el rendimiento.

 Propuestas para aumentar la eficiencia

- Utilizar alambre de plata en lugar de cobre o aluminio para los devanados, lo que genera una reducción en la resistencia de aproximadamente el 7% (o 39% para el aluminio), aunque con un aumento de costo difícil de aceptar de 100 veces. Sin embargo, cuando se extrapola a una vida útil teórica de, 10.000 horas, con una potencia promedio de 20 kW y un costo por kWh de 0,20 dólares, se ahorrarían alrededor de 2.800 dólares en electricidad, lo que constituye un argumento bastante convincente a favor de los devanados de plata.

 - Las pérdidas de hierro en un motor, una regla general comúnmente utilizada para cualquier dispositivo electromagnético que maneje corriente alterna es que las pérdidas de hierro y cobre deben ser aproximadamente iguales. Para que  exista compensaciones mutuamente excluyentes entre los dos; por ejemplo, aumentar el área de la sección transversal para reducir la densidad de flujo reduce las pérdidas de hierro, pero requiere devanados más largos, lo que aumenta la resistencia. La gran mayoría de los motores actuales utilizan acero aleado con silicio para construir el circuito magnético, ya que combina una densidad de flujo de saturación relativamente alta y alta resistencia eléctrica a un costo relativamente bajo, a expensas de pérdidas por histéresis de poco valor (aproximadamente equivalentes a las pérdidas dependientes de la frecuencia en los conductores).

Existen numerosos materiales magnéticos con pérdidas  mucho menores, pero pocos de ellos son adecuados para su uso en motores. Por ejemplo, las diversas ferritas comúnmente utilizadas en componentes magnéticos de alta frecuencia tienen una densidad de flujo de saturación más baja (en el rango de 0,3 a 0,35 Tesla, en comparación con 1,8 a 2,0 Tesla para el acero al silicio) pero  son extremadamente frágiles, por lo que no son la mejor opción para un motor que vibrará durante el funcionamiento.

Otros materiales son variaciones en el procesamiento y/o elementos de aleación del acero al silicio, lo que da como resultado una estructura de grano extremadamente fina (nanocristalina) o ninguna estructura de grano (amorfa). Pueden lograr una impresionante reducción de pérdidas de hasta el 70% (de alrededor de 1,4 W/kg a 0,4 W/kg, dependiendo de la frecuencia, frecuencia del flujo, etc.).

La versión nanocristalina tiene la ventaja en la densidad de flujo de saturación y propiedades mecánicas, mientras que la versión amorfa es menos costosa de producir y es un material más difundido. De cualquier manera, reducir las pérdidas de hierro hasta en un 70% lo acerca más a mejorar la eficiencia general del motor a esa  mítica cifra del 99% que la contribución relativamente escasa del alambre de plata, y seguramente a un costo menor.

 - Las pérdidas por fricción en los rodamientos.  La erosión por arco de las superficies internas de los rodamientos causada por corrientes acopladas capacitivamente producidas por los voltajes que cambian rápidamente en el  inversor (es decir, por altos dV/dt), de ahí el creciente uso de cerámica para las bolas y pistas.

 - Ventilación. No operar a rpm extremadamente altas, ya que la pérdida por ventilación aumenta con el cubo de rpm, por lo que una pérdida modesta de 100 W a 3000 rpm se convierte en una pérdida mucho menos tolerable de 2,7 kW a 9.000 rpm.

 -Transmisión variable continua

La transmision CVT (continuously variable transmission) utiliza un variador doble, y mediante dos poleas unidas entre si por una correa de acero, cada polea se mueve por presión hidráulica, Esta presión que es alimentada por la bomba de aceite de la CVT esto es con el fin de determinar la separación entre poleas y la relación de velocidad a la cual estará sometida.

 

 

 La posición de las poleas se efectúa de tal manera que la correa este siempre en tensión para evitar una dislocación de la misma.

Las poleas variadoras utilizan un mecanismo similar al de la bicicleta con cambios donde la cadena  siempre se encuentra tensada cambiando de diámetro de piñon, en este caso una variación en el diámetro de las poleas que lo hacen gracias a un trabajo electrohidráulico con ello cambia la relación mecánica.  En resumen, la caja de cambios CVT es un cambio automático de variación continua adaptada para el uso en coches  eléctrico. Tiene un diseño muy compacto y se integra en el mismo módulo que el inversor y el motor eléctrico.

 

      

El mecanismo de transmisión CVT y su control electrónico proporcionan, un equilibrio óptimo entre el par y la velocidad del motor, lo que permite que el motor funcione de la manera más eficiente posible en todo momento.

 

 El cambio continuo permite aplicar la máxima potencia de forma continua, lo que permite que el vehículo acelere mejor y conduzca más rápido en pendientes positivas. La potencia también permanece con mayor disponibilidad a velocidades  del vehículo, lo que lleva a velocidades máximas más altas y un menor consumo de energía.

  

-Alternativa electrónica

 Es posible simular electrónicamente una transmisión de múltiples velocidades dividiendo los pares de devanados de fase, del motor eléctrico,  en múltiples conjuntos que el inversor puede reconectar sobre la marcha de funcionamiento para cambiar el número aparente de polos o el número de fases.

 

 Cada una de estas soluciones cambia efectivamente el ángulo de rotación sobre el que tiene que actuar el campo magnético producido por el estator (actuar sobre un arco más corto intercambia un par más alto por una velocidad sincrónica más baja y viceversa). 

  En definitiva, existe un menú de opciones cuyo desarrollo y aplicación determinara la mejor solución para cada caso de prestación dada por el vehículo teniendo en cuenta, también, el costo.

 

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                2023.-