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lunes, 7 de julio de 2025

Diferente tecnología de las baterías de plomo-ácido y litio

 

Diferente tecnología de las baterías de plomo-ácido y litio

 

Uno de los conocimientos que se obtuvo en el siglo XIX con el desarrollo de la electrotecnia es la posibilidad de almacenar, si es el término correcto, energía eléctrica en un dispositivo  mediante de una reacción electroquímica.

 

Breve historia de dos tecnologías

En 1859, Gaston Planté inventó la batería de plomo-ácido, la primera batería recargable de la historia. Varios tipos siguieron al modelo básico de Planté con una aplicación relativa, hasta que hubo dos aplicaciones que generalizaron su utilización, a partir del  1911 como fuente de energía eléctrica del motor de corriente continua en el arranque de los motores de combustión  y del año 1916 en submarinos.


 Pasó el tiempo y Stanley Whittingham, un joven químico británico, en 1972  desarrolló una batería con un cátodo de disulfuro de titanio y un electrolito líquido que utilizaba iones de litio. La batería de Whittingham no se parecía a ninguna de las anteriores. Funcionaba insertando iones en la red atómica de un material de electrodo anfitrión, un proceso llamado intercalación. El rendimiento de la batería también era inédito: era recargable y tenía un alto rendimiento energético. En 1985, Akira Yoshino desarrolló el primer prototipo basándose en las investigaciones anteriores de otros expertos durante la década de los 70. Posteriormente, un equipo de la empresa Sony construyó la primera batería comercial de ion de litio recargable en 1991.

 Baterías constituidas por Plomo-Acido

Las baterías de plomo-ácido se construyen a partir de placas de plomo sumergidas en una solución de ácido sulfúrico y agua desmineralizada, siendo este el electrolito. El proceso de fabricación de estas baterías incluye los siguientes pasos:

Fabricación de las placas, se aplica una pasta de material activo a una rejilla, que sirve como soporte esquelético. Para las placas positivas se utiliza una pasta de dióxido de plomo. Para las placas negativas se utiliza un material llamado plomo esponjoso,  basado en  sulfatos de plomo en polvo.  


 Secado, las placas se dejan secar en un horno para que la pasta se endurezca y se fije a la rejilla. Se utilizan separadores porosos para separar las placas positivas de las negativas. La forma y la estructura de la rejilla son fundamentales para la conducción de la electricidad entre las placas de plomo.

Durante el proceso de carga inicial, el sulfato de plomo es reducido a plomo metal en las placas negativas, mientras que en las positivas se forma óxido de plomo (PbO2).

Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo es reducido a sulfato de plomo mientras que el plomo elemental es oxidado para dar igualmente sulfato de plomo. Los electrones intercambiados se aprovechan en forma de corriente eléctrica por un circuito externo. Los procesos elementales que transcurren son los siguientes:

 En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico porque se crea sulfato de plomo y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. El  proceso de reversibilidad no se puede repetir indefinidamente porque, cuando el sulfato de plomo forma cristales muy grandes, ya no responden bien a los procesos indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. La diferencia de potencial entre electrodos de cada  celda individual, por su conformación electroquímica, es de 2 Volts. La carcasa o caja de la batería de plomo-ácido está hecha típicamente de plástico polipropileno resistente y sirve para contener las celdas dentro de los vasos, el electrolito y los componentes internos de conexión.

 A modo de ejemplo: Una batería de 12 Volts, posee seis vasos constituidos por un conjunto de celdas en paralelo cuya cantidad varía en función de los Ah  deseados de la batería. A su vez los vasos están conectados en serie para obtener los 12 Volts.                    La densidad energética de las baterías de plomo-ácido es de 30 a 50 Wh/kg. Todos los componentes son reciclables.

Video de fabricación en: https://youtu.be/pDRGmlciwcI?si=eORhAgCLLs0V0S0o

 

Baterías constituidas por Litio

Las baterías de iones de litio (LIB) atraen un interés considerable gracias a sus altos valores de energía, densidad de potencia y vida útil de largo ciclo. Los LIB son células electroquímicas, como se dijo mas arriba, que convierten la energía química en energía eléctrica (y viceversa). Consisten en electrodos negativos y positivos (anodo y cátodo, respectivamente), ambos rodeados por el electrolito y separados por una membrana de  que es un polímero permeable (separador).   El electrolito está compuesto por: sales de litio, por ejemplo, hexafluorofosfato de litio (LiPF6) y el tetrafluoroborato de litio (LiBF4) son las más utilizadas. Como disolventes, el carbonato de etileno (EC), el carbonato de etilmetilo (EMC) y el carbonato de dimetilo (DMC) son algunos de los más comunes.

El procesamiento convencional de una  batería de iones de litio consta de tres pasos:           (1) fabricación de electrodos, (2) montaje de celda y (3) acabado celular (formación).

Aunque hay diferentes formatos celulares, como celdas prismáticas, cilíndricas y de bolsa, la fabricación de estas células es similar pero difiere en el paso de ensamblaje de la celda. A continuación se describe la producción de la serie de celdas prismáticas, y una visión esquemática para la fabricación de una celda de batería de iones de litio se da en la Figura 1, como referencia.

 

1.- La fabricación de electrodos comienza con la recepción de los materiales en una sala seca (medioambiente con  humedad controlada, temperatura y presión). Los materiales en polvo se suministran en bolsas: bolsas grandes para el material activo y, en su mayoría, bolsas de papel para el aglutinante y el material conductor.

El material activo y un agente conductor se añaden directamente a la mezcladora de lodos (slurry) de electrodo, mientras que el polvo de aglutinante se alimenta primero a otra batidora para preparar la solución del aglutinante. Después de la mezcla seca del material activo y el agente conductor, la solución de aglutinante se añade para hacer un lodo para el recubrimiento de electrodos. Aunque se están estudiando diferentes alternativas para su reemplazo, NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) es el disolvente de cátodo  más utilizado, mientras que el agua desionizada se utiliza para el ánodo.

 Un electrodo consiste en un material electroactivo, así como en un material aglutinante, que permite la integridad estructural al tiempo que mejora la interconectividad dentro del electrodo, la adhesión al colector de corriente (lámina metálica) y la formación de la interfaz electrolítica sólida (SEI) durante los primeros ciclos de la batería de la celda.

 

 En el proceso de producción de colectores de corriente es decir láminas de electrodos, el lodo de electrodos se recubre sobre la lámina metálica (colector de corriente) y se seca. La capa fabricada se denomina capa compuesta. Luego, la hoja se presiona con un rodillo de metal para aumentar la resistencia de la capa compuesta y mejorar la conductividad eléctrica (calandrado). Estos son algunos puntos clave a tener en cuenta al fabricar electrodos con respecto al rendimiento de la batería.

-Uniformidad de espesor al aplicar el lodo a los electrodos

-Uniformidad de propiedades eléctricas dentro de la superficie de la lámina del electrodo.

-Resistencia de contacto entre la capa compuesta y el colector de corriente

 El colector de corriente del ánodo es una lámina de cobre metálico y el colector de corriente del cátodo de aluminio. El colector de corriente de electrodo positivo que se utiliza habitualmente es una lámina de aluminio y el colector de corriente de electrodo negativo es una lámina de cobre. Los potenciales de electrodo positivo y negativo de las baterías de litio determinan la lámina de aluminio para el electrodo positivo y la lámina de cobre para el electrodo negativo, no al revés.

 El potencial del electrodo positivo es alto, la lámina de cobre se oxida fácilmente a un potencial alto y el aluminio tiene un potencial de oxidación alto, y la superficie de la lámina de aluminio tiene una película de óxido densa, que también tiene un buen efecto protector interno sobre el aluminio. Ambos se utilizan como colectores de corriente porque tienen una buena conductividad eléctrica y una textura  suave, y son relativamente comunes y economicos. Para garantizar la estabilidad de los colectores de corriente de la batería, se requiere que la pureza de ambos metales sea superior al 98 %.

 2.- La conformación de las celdas se realiza de la siguiente manera,  Durante el proceso de apilamiento, las láminas de electrodos separadas se apilan en un ciclo repetitivo de

ánodo separador, cátodo, separador, etc.  Existe una amplia variedad de tecnologías de apilamiento, que suelen estar patentadas por fabricantes específicos.  Una variante clásica del apilamiento es el llamado plegado en Z.  Las láminas de ánodo y cátodo se insertan alternativamente desde la izquierda y la derecha en el separador plegado en forma de Z. El separador se utiliza en forma de cinta sin fin y se corta después del proceso de apilamiento.

 


3.- Para el sellado de las celda  en forma de bolsa, las láminas colectoras de corriente (ánodo - cobre y cátodo - aluminio) se ponen en contacto primero con las lengüetas de la celda mediante un proceso de soldadura ultrasónica o láser. A continuación, la pila de celdas se coloca en la lámina de bolsa. Para ello, la lámina de bolsa se embute en un paso anterior del proceso. La celda en forma de bolsa se sella normalmente de forma hermética por tres lados mediante un proceso de sellado por impulso o por contacto. Un lado de la celda (a menudo la parte inferior de la celda) no se sella finalmente para poder llenar la celda con electrolito en el siguiente paso del proceso.

Después del proceso de envasado, se introduce el electrolito. Durante el llenado del electrolito, se debe distinguir entre los subprocesos de "llenado" y "humectación". El electrolito se introduce en la celda al vacío (llenado) con la ayuda de una aguja dosificadora de alta precisión. Mediante la aplicación de un perfil de presión en la celda (suministro de gas inerte y/o generación de vacío en funcionamiento alterno), se activa el efecto capilar en la celda (humectación). Finalmente, se sella al vacío.

 Por último, el proceso de  formación describe los primeros procesos de carga y descarga de la celda de la batería. Para la formación, las celdas se colocan en soportes especiales en bastidores de formación y se ponen en contacto mediante clavijas de contacto eléctrico. A continuación, las celdas se cargan o descargan según curvas de corriente y tensión definidas con precisión. Durante la formación, los iones de litio se incrustan en la estructura cristalina del grafito en el lado del ánodo. Aquí se forma la interfaz de electrolito sólido (SEI), que crea una capa de interfaz entre el electrolito y el electrodo.

Video de fabricación en: https://youtu.be/6vBH6zlrXuM?si=ElkLvfb20GDWLioU

 

 Electroquímica

En una batería de iones de litio, el funcionamiento de la carga y descarga es el siguiente:

Cuando la batería se descarga, el ánodo libera iones de litio hacia el cátodo, lo que genera un flujo de electrones. En estado de carga los iones de litio son liberados por el cátodo y recibidos por el ánodo. Ejemplo de ecuación química de la batería de fosfato de hierro y litio:

El cátodo de una batería de fosfato de ion de litio está hecho de LiFePO4 y al descargarse, se transforma en FePO4. El ánodo está hecho de grafito.

Las reacciones para el ciclo de descarga se dan de la siguiente manera:

 De acuerdo al material del cátodo, siendo el ánodo de grafito, la electroquímica de la celda determina la siguiente diferencia de potencial entre electrodos:

 


Cada batería individual es un conjunto de celdas en paralelo que determinan los Ah de la misma y la diferencia de potencial entre terminales depende de la electroquímica del cátodo, como se vio mas arriba. 

La densidad energética promedio de las baterías de iones de litio es de entre 200 y 330  (Wh/kg).

 

Resumen

La batería de plomo-acido fue un hito  dentro del desarrollo tecnológico/científico de la época. Por su simplicidad de  elementos constitutivos y construcción, hoy en día se sigue utilizando en muchas aplicaciones.  Más de 100 años después, la baterías de litio en sus diferentes versiones, son el producto de un conocimiento mucho mas avanzado insumiendo mayor cantidad/calidad de materiales y maquinaria para su constitución y una tecnología electroquímica acorde.

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                            2025.-

sábado, 5 de julio de 2025

CEO de Ford: "Es la experiencia más humillante que hemos tenido"

 

CEO de Ford: "Es la experiencia más humillante que hemos tenido" 

El CEO de Ford ha estado viajando a China para ver cómo fabrican coches eléctricos, y ha vuelto preocupado: "Es la experiencia más humillante que hemos tenido"


Por: Alejandra Otero

 "No quiero renunciar a él. Es fantástico", dijo el año pasado Jim Farley, CEO de Ford, sobre el Xiaomi SU7. El del óvalo lleva tiempo advirtiendo de lo que supone la amenaza china para las marcas occidentales. Ahora ha vuelto a incidir en ello, admitiendo que sus coches son superiores a varios niveles: desde la tecnología a la producción pasando por el concepto de coche en sí mismo.

El CEO de Ford ha estado viajando a China para ver cómo fabrican coches eléctricos, y ha vuelto preocupado: "Es la experiencia más humillante que hemos tenido"

Ver de primera mano lo que están haciendo los fabricantes chinos lo señala como "la experiencia más humillante que hemos tenido como industria". Farley advierte de nuevo: si las marcas europeas y americanas no pueden seguir el ritmo de las chinas, supondrá su muerte. Más concretamente habla de Ford, cuya estrategia de coches eléctricos le ha costado millones de dólares.

 

"Tienen una tecnología del automóvil muy superior"

El CEO de Ford admite la cura de humildad que están impartiendo las marcas chinas a las occidentales. Lo ha hecho en el Aspen Ideas Festival, reconociendo lo que ya ha admitido en otras ocasiones: que los coches de la República Popular les han pasado por la derecha. No es la primera vez que alaba la competencia china.

 Mejores, más avanzados y más baratos. Farley insiste en que firmas chinas como BYD, Xiaomi, Nio o Geely están mucho más avanzadas en factores clave, como las baterías (y su autonomía), motores eléctricos o la tecnología de conectividad y asistencia. "Tienen una tecnología del automóvil muy superior. Huawei y Xiaomi están en todos los coches. Te subes y no tienes que emparejar el teléfono. Automáticamente, toda tu vida digital se refleja en el coche", señala según recoge Business Insiders.

 Además de más avanzados, también son más asequibles: no solo en precio, sino también de producir. Lo que consiguen controlando toda la cadena de valor, a mano de obra barata o a los subsidios del gobierno chino. Este ecosistema ha permitido lo que admite el CEO de Ford: "la calidad de sus vehículos es muy superior a lo que veo en Occidente".

BYD Seal 2025

También que han redefinido la forma de concebir los coches, a lo que las marcas tradicionales deben adaptarse si no quieren desaparecer. "Estamos en una competencia global con China, y no se trata solo de vehículos eléctricos. Si perdemos esto, Ford no tendrá futuro".

 Copiar la estrategia china es justo lo que quiere hacer Europa: está definiendo un plan basado en medidas proteccionistas que la República popular lleva años aplicando. Por ejemplo controlar la producción de baterías o exigir a las marcas chinas que quieran fabricar aquí transmitir sus conocimientos de tecnología. Es justo lo que se exigió a las occidentales cuando levantaron sus plantas en China: la República Popular ha conseguido no solo replicarla, sino mejorarla en solo dos décadas.

Híbridos y eléctricos pequeños y baratos. El año pasado Farley, acompañado por el director financiero de Ford, John Lawler, viajó varias veces a China. Fue entonces cuando se trajeron el Xiaomi SU7 que, durante varios meses, se convirtió en el coche personal de Farley. Lamentó mucho tener que devolverlo: se quedó enamorado. Y a su vez tuvo clara la mucha ventaja de las marcas chinas. La conclusión de Ford fue entonces meridiana: "ejecutar el nivel de los estándares chinos será la prioridad más importante".

La estrategia eléctrica de Ford no les ha sido precisamente bien: la división de vehículos eléctricos del óvalo ha rondado los 9.000 millones de pérdidas en dos años. Mucha inversión que no se ha visto revertida en ventas con el Mustang Mach-E o la Ford F-150 Lightning. Eso les ha llevado a redefinirla: ha cancelado dos enormes SUV eléctricos para centrarse en una nueva plataforma de modelos más pequeños.

 Ford Mustang Mach-E

También han optado por centrarse en los híbridos, mucho más rentables en el momento actual. Lo que supone admitir a la postre que hoy por hoy, no pueden competir con los eléctricos llegados desde China.

 

Fuente: https://www.motorpasion.com/

 

viernes, 4 de julio de 2025

Conectividad para arquitecturas de vehículos eléctricos/electrónicos de próxima generación

 

Conectividad para arquitecturas de vehículos eléctricos/electrónicos de próxima generación

 

Publicado: 4  julio-2025 por Charged EVs

 

Impulsando el futuro de la movilidad.

La industria automotriz está experimentando una evolución significativa, impulsada por las cambiantes demandas de los consumidores y las expectativas cambiantes de personalización, conectividad, seguridad, electrificación y mejoras en las características y funcionalidades. Esta transformación se sustenta en la evolución del diseño de las arquitecturas de vehículos eléctricos/electrónicos (E/E) de próxima generación, que están abriendo el camino a una nueva era de movilidad más inteligente, segura y cómoda, junto con procesos de fabricación más eficientes.

Para satisfacer las crecientes expectativas de sofisticación y eficiencia funcional, las arquitecturas de vehículos eléctricos/electrónicos de próxima generación aprovechan las unidades de control centralizadas y los diseños zonales. Estas innovaciones permiten una consolidación funcional basada en software con actualizaciones inalámbricas (OTA), una distribución optimizada de datos y energía, una menor complejidad y peso del cableado, así como una mayor flexibilidad y escalabilidad del diseño para futuras innovaciones.

 A continuación, exploramos las tendencias y los desafíos fundamentales (desde la conducción autónoma y la mayor conectividad hasta la electrificación y el auge de la movilidad compartida) que están dando forma a las arquitecturas de vehículos de próxima generación, y el papel fundamental que desempeña la conectividad para posibilitar esta transformación.

 


Imagen 1: Los compradores de automóviles actuales priorizan las características PACES (personalización, automatización y autonomía, conectividad, electrificación y sostenibilidad), que exigen experiencias de movilidad inmersivas y preparadas para el futuro, frente a los modelos de propiedad tradicionales.

 

Beneficios de las arquitecturas zonales: Eficiencia e innovación integradas

Las arquitecturas E/E (eléctricas/electrónicas) tradicionales ya no pueden satisfacer las complejas demandas de los vehículos modernos. Se basan en cableados complejos que abarcan todo el vehículo, lo que a menudo resulta en ineficiencias y un mayor peso. Las arquitecturas de nueva generación, caracterizadas por diseños zonales y control centralizado, están estableciendo un nuevo estándar.

Imagen 2: Transformación de la Arquitectura Vehicular

 Las arquitecturas zonales incorporan unidades de control centralizadas y más potentes, organizadas en zonas diferenciadas, lo que proporciona estructuras informáticas más modernas que habilitan procesos de software basados ​​en servidor. Este enfoque no solo simplifica y reorganiza los arneses de cableado, sino que también facilita una transmisión más eficiente y de mayor velocidad, así como el procesamiento en tiempo real de datos adicionales de sensores y del entorno.

 El objetivo es reducir el número de nodos/ECU, pero aumentar significativamente las oportunidades de conexión (puertos) por nodo, conectados entre sí por una red troncal de datos de alta velocidad. Este enfoque no solo optimiza el cableado, reduciendo su peso y complejidad, sino que también facilita el diseño de vehículos y una implementación funcional más escalable y flexible. Imagine las arquitecturas zonales como ciudades con barrios bien organizados, cada uno con sus propios servicios públicos, todos conectados por una autopista de alta velocidad. Las principales ventajas son las siguientes:

 .-Cableado simplificado: Las arquitecturas zonales tienen importantes implicaciones para el diseño y la fabricación de vehículos. A medida que los enfoques de instalación basados ​​en zonas sustituyen los arneses voluminosos que abarcan todo el vehículo, es posible utilizar sistemas de cableado más ligeros. Esto mejora la eficiencia eléctrica, reduce el peso y simplifica la instalación de arneses. Además, gracias a una mejor compartimentación, la producción automatizada de arneses es una opción.

 .-Diseño escalable: La reestructuración física también permite preequipar un vehículo para futuras actualizaciones. Mediante actualizaciones inalámbricas (OTA), los vehículos definidos por software (SDV) pueden seguir añadiendo valor y funcionalidad (como servicios de suscripción de pago) mucho después de salir de la línea de producción, sin necesidad de instalar ni modificar ningún hardware. Algunos ejemplos de actualizaciones que ya ofrecen algunos fabricantes de equipos originales (OEM) son la activación momentánea de mayor rendimiento, mayor autonomía de la batería o mayores niveles de conducción autónoma.

 Mayor eficiencia: Las unidades de control centralizadas y una mejor compartimentación permiten una mejor gestión energética y facilitan la producción automatizada de arneses.

 

¿Qué significan las arquitecturas E/E de próxima generación para el futuro de la movilidad?

Estas arquitecturas permiten a los fabricantes de automóviles crear vehículos flexibles, con visión de futuro y rentables. Las arquitecturas E/E de última generación permiten la integración de un número creciente de funciones innovadoras para el diseño, el rendimiento y la funcionalidad, desde la conducción autónoma y los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) hasta sistemas mejorados de infoentretenimiento y gestión de la batería. Las redes de datos de alta velocidad y las soluciones de conectividad modular facilitan la comunicación y el control fluidos de estos sistemas, garantizando una gestión energética eficiente y una experiencia de conducción mejorada. Además, a medida que aumenta la demanda de energía, la transición de los sistemas tradicionales de 12 V a arquitecturas de 48 V ayuda a reducir los niveles de corriente, disminuir la pérdida de calor en el cableado y mejorar la eficiencia general. El cambio a 48 V permite una mejor gestión térmica y es compatible con plataformas informáticas escalables de alta potencia, a la vez que se alinea con las necesidades cambiantes de las arquitecturas de vehículos definidas por software.

 

Conectividad: La columna vertebral de los vehículos más inteligentes

A medida que los vehículos evolucionan hacia ecosistemas de alta tecnología, una conectividad fiable y robusta es esencial para garantizar una comunicación fluida entre zonas y sistemas. Las ofertas de conectividad también deberán ofrecer soluciones que ahorren espacio para dar servicio a un mayor número de conexiones en un menor número de unidades de control de alta potencia, a la vez que ofrecen un mayor nivel de modularidad para ofrecer mayor flexibilidad.

Las innovaciones en conectividad están diseñadas específicamente para permitir la transformación de la arquitectura vehicular de próxima generación:

 Transmisión de datos de alta velocidad: Conectores avanzados permiten una comunicación ultrarrápida, crucial para funciones en tiempo real como la conducción autónoma/ADAS y los sistemas de infoentretenimiento.

 Diseños que ahorran espacio: El Sistema Híbrido Modular (MHS) ofrece configuraciones flexibles de enchufe y cable, y es escalable para cualquier plataforma de vehículo. Ofrece una reducción de hasta un 40 % en espacio y peso, y utiliza los materiales sostenibles y procesos de reciclaje más modernos, además de estar preparado para la automatización.

 Soluciones preparadas para la automatización: Conectores  diseñados para simplificar la fabricación y el ensamblaje, mejorar la confiabilidad, la precisión y la trazabilidad.

 Avances en potencia: Los conectores, compatibles con 48 V,  ofrecen una distribución de energía segura, fiable y eficiente, lo que facilita la transición de los sistemas de 12 V para satisfacer la creciente demanda energética de forma más eficaz. Esta transición mejora el rendimiento general, reduce el peso y el coste, y facilita una excelente automatización del sistema.

 Conectividad en el dispositivo: La conectividad interna del dispositivo es esencial para los controladores zonales, ya que facilita la comunicación entre zonas y subsistemas conectados, así como entre procesadores centralizados. Esto permite una estructura unificada donde un procesador central puede acceder a los datos de todos los sensores y actuadores.

 Blindaje EMI: Las arquitecturas E/E de última generación incluyen una amplia gama de componentes electrónicos, muchos de los cuales presentan un alto riesgo de propagación de interferencias electromagnéticas (EMI). Es fundamental considerar soluciones de blindaje EMI/RFI que reduzcan eficazmente la susceptibilidad a fallos electrónicos, ya sea bloqueando las ondas electromagnéticas externas o previniendo la emisión de ondas electromagnéticas internas que podrían interferir con los circuitos o dispositivos circundantes