Desafío: Disminuir el peso de las baterías de los autos eléctricos

Desafío: Disminuir el peso de las baterías de los autos eléctricos

 Aunque el peso de la batería de un coche eléctrico suele ser proporcional a su capacidad energética en kWh, lo cierto es que no siempre se da esta relación directa por la densidad energética y otros factores: el sistema de refrigeración, los circuitos asociados o, por ejemplo, el empaquetado de los módulos de batería. Eso explica algunas importantes diferencias entre modelos con misma capacidad energética, o muy cercana.

Los modelos con baterías entre 6 y 12,5 kWh de batería rondan los 100 a 150 kg por este componente; opciones con mayor autonomía, con una capacidad energética de 60 a 100 kWh, sin embargo, tienen un peso de batería de 380 a 550 kg, aproximadamente.

En términos más específicos, un Tesla Model S con batería de 85 kWh debe 544 kg de su peso a la batería de  litio; un Renault Zoe con 22 kWh, sin embargo, 290 kg. Y es curioso este modelo en concreto, porque el mismo Renault Zoe con 41 kWh tiene una batería que pesa 305 kg. Con tan solo 15 kg adicionales ofrece una capacidad energética notablemente superior, así como una mayor autonomía debido a los adelantos técnicos en estos últimos años.

Así, pues,  la tarea de los ingenieros es seguir optimizando al máximo la tecnología existente. En eses sentido, no sólo se ha reducido el peso de las baterías de un eléctrico, sino que se han multiplicado sus prestaciones y se ha trabajado mucho en los materiales, el diseño y el rendimiento del automóvil en el que se alojan, con arquitecturas, plataformas, chasis y carrocerías que ya no tuvieron que cambiar su concepción térmica, sino que nacieron ya, como concepto de nativos eléctricos.

En los últimos años, la mejora sobre densidad energética de estas ha sido sustancial, llegando a multiplicarse por ocho en algo más de una década.

La Oficina de Tecnologías de Vehículos del Departamento de Energía (DOE - USA) ha publicado recientemente su estudio sobre la mejora en la densidad volumétrica de las baterías de los coches eléctricos entre el período comprendido del año 2008 al 2020, donde la mejora en este aspecto fue más que sustancial al multiplicar sus cifras por ocho.

 

Dos tipos de mediciones de densidad energética estandarizados.

La primera es la densidad volumétrica, la cual se presenta como la relación entre capacidad total y el tamaño (o volumen); la segunda es la densidad gravimétrica, que relaciona la capacidad por unidad de peso de la batería.

La densidad volumétrica ha mejorado notablemente en los últimos años. El primer dato obtenido en el ya lejano año 2008 fue de apenas 55 Wh/Litro, mientras que el obtenido en el año 2020 fue de 450 Wh/Litro. El incremento ha sido importante, prácticamente duplicando la cifra de un período a otro:

 

El siguiente cuadro muestra claramente  esa evolución:

 

 Paralelamente los fabricantes de baterías y coches eléctricos tienen muy en cuenta el dato gravimétrico a la hora de desarrollar estos componentes, pues a mayor peso de las baterías también redunda en un aumento en peso que el propio vehículo debe transportar.

Los fabricantes de baterías están en constante investigación en la composición química de estas. La empresa CATL, por ejemplo, anunció recientemente que sus  paquetes de batería con material de cátodo LFP (litio, hierro, fosfato) contarían con una densidad volumétrica de 290 Wh/Litro, mientras que las de química NCM  (níquel, cobalto y manganeso) alcanzarían los 450 Wh/L.

 

Nuevos desarrollos

Las baterías de iones de litio tradicionales se basan en diseños de celdas cilíndricas o prismáticas, que a menudo requieren sistemas complejos de gestión térmica y pueden presentar riesgos de seguridad. La empresa BYD  ha presentado  el modelo BLADE la cual adopta un enfoque novedoso al utilizar un diseño revolucionario que incorpora múltiples celdas en una estructura similar a un panal de abejas, de esta manera ha superado las limitaciones antes mencionadas  y ha creado una solución de almacenamiento de energía más segura y eficiente. Su diseño elimina, también, la necesidad de cobalto, un material conocido por su alto costo y cuestiones ambientales. 

  La batería Blade tiene forma de una cuchilla, con terminales positivo y negativo en cada extremo. Cada «cuchilla» mide 96 centímetros de largo, 8.9 cm de alto y solo 1.35 cm de ancho. Estas celdas individuales encajan en una matriz y luego se encierran en un pack. El  nuevo tipo de tecnología  maximiza el uso del espacio hasta un 50% en comparación con las baterías LFP en formato cilíndrico convencionales.

Gracias a esta estructura optimizada se consigue mejorar el aprovechamiento del espacio, aumentando la densidad volumétrica en un 30%. En cuanto a la densidad energética nos encontramos ante unos interesantes 140 Wh/kg y a un precio por debajo de los 100 dólares el kWh (aprox. 85 dólares el kWh).

 

 También hay que tener en cuenta que el litio, hierro y fosfato pueden ser reciclable, como así también los metales que constituyen de la estructura.  

Debido a la optimización del espacio y el uso de materiales más seguros y estables, también se traduce en una reducción de costos de producción en un 20 % menor en comparación con las baterías convencionales.

 En definitiva, diferentes empresas en todo el mundo están desarrollando nuevas tecnologías  para logra una batería más liviana, con mayor densidad energética y de menor costo. Teniendo en cuenta que este es determinante en el precio total de un vehículo eléctrico. A la luz de la evolución de la última década, todo indica que estamos en el buen camino para lograr lo arriba comentado.

 

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                                            2023.-