Evolución de las baterías de los vehículos eléctricos: Del plomo-ácido al ión-litio
Introducción
El desarrollo de los vehículos eléctricos (VE) ha experimentado una notable transformación a lo largo de los años, y en el centro de esta evolución se encuentra la tecnología de las baterías que impulsan estos vehículos. Este artículo hace un viaje en el tiempo para explorar la evolución de las baterías de los vehículos eléctricos, desde los primeros días de las baterías de plomo-ácido hasta la era moderna dominada por la tecnología de iones de litio.
Baterías de plomo-ácido: Los pioneros
A finales del siglo XIX, las baterías de plomo-ácido surgieron como las primeras baterías de uso generalizado para vehículos eléctricos. Estas baterías utilizaban una reacción química entre el dióxido de plomo (placa positiva), el plomo esponjoso (placa negativa) y un electrolito de ácido sulfúrico para generar energía eléctrica. En sus inicios, desempeñaron un papel crucial en diversas aplicaciones.
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Figura 1. Estructura típica de las baterías de plomo-ácido Estructura típica de las baterías de plomo-ácido
Sin embargo, estos primeros vehículos eléctricos se enfrentaban a importantes limitaciones debidas a la tecnología de su época. Su limitada densidad energética y autonomía dificultaban su uso en viajes largos o desplazamientos interurbanos. Además, la infraestructura de recarga era prácticamente inexistente y el proceso de recarga requería mucho tiempo. Esta falta de comodidad limitaba aún más la utilidad de los VE.
A pesar de sus dificultades, las baterías de plomo-ácido siguen utilizándose hoy en día. Son habituales en diversas aplicaciones, como las baterías de arranque de automóviles, los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y los sistemas de energía renovable sin conexión a la red.
Baterías de níquel-hidruro metálico: Un paso adelante
A principios del sigloXX, Thomas Edison desarrolló la batería de níquel-hierro. Esta pila recargable se basa en una reacción electroquímica entre un electrodo positivo de hidróxido de óxido de níquel (NiOOH), un electrodo negativo de hidruro metálico (MH) y un electrolito alcalino. Aunque las baterías de níquel-hidruro metálico, o baterías NiMH, ofrecían una mayor densidad energética y una mayor autonomía, no se convirtieron en un estándar para los vehículos eléctricos.
Baterías de iones de litio: El cambio de juego
El siglo XXI fue testigo de un cambio notable en la tecnología de las baterías de los VE con la adopción generalizada de las baterías de iones de litio. Tienen mayor densidad energética, mayor autonomía y una carga más rápida, lo que las convierte en el estándar de los vehículos eléctricos modernos. Durante la carga, los iones de litio (Li+) se desplazan del cátodo al ánodo a través del electrolito, almacenando energía. En la fase de descarga, estos iones Li+ vuelven al cátodo, generando una corriente eléctrica.
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Figura 2. Estructura de las baterías de iones de litio Estructura de las baterías de iones de litio
Lo que distingue a las baterías de iones de litio son sus excepcionales características y diversidad. Presumen de alta densidad energética, sostenibilidad y una baja tasa de autodescarga, conservando la carga a lo largo del tiempo. El cátodo de las baterías de iones de litio se presenta en diversos materiales, como el óxido de litio y cobalto (LiCoO2) para la electrónica de consumo, el fosfato de litio y hierro (LiFePO4) para los vehículos eléctricos, y el óxido de litio, níquel, cobalto y manganeso (NCM) o el óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA) para lograr un equilibrio entre densidad de energía y potencia.
Esta versatilidad permite a las baterías de iones de litio alimentar diversas aplicaciones, desde aparatos de consumo a vehículos eléctricos, y estimula las innovaciones en curso, incluidas las baterías de estado sólido y los esfuerzos de reducción de cobalto, para ampliar aún más sus capacidades y sostenibilidad.
El futuro de las baterías para vehículos eléctricos:
La evolución de las baterías de los vehículos eléctricos está lejos de haber terminado, y el futuro ofrece perspectivas apasionantes.
lBaterías de estado sólido: El desarrollo de baterías de iones de litio de estado sólido representa un salto significativo en la tecnología de las baterías. Estas baterías prometen una mayor densidad energética, más seguridad y una vida útil más prolongada que las baterías tradicionales de electrolito líquido.
lCobalto reducido: Dado que persisten las preocupaciones medioambientales y éticas en torno a la extracción de cobalto, se están realizando esfuerzos para reducir o eliminar el cobalto de las baterías de iones de litio. Estos esfuerzos pretenden crear químicas de baterías más sostenibles y responsables, minimizando el impacto medioambiental y social asociado a la extracción de cobalto.
l Carga rápida: Los rápidos avances en la tecnología de carga rápida están revolucionando los vehículos eléctricos al hacer que la recarga sea tan cómoda como el repostaje de los vehículos tradicionales. La infraestructura de recarga rápida sigue expandiéndose, reduciendo significativamente los tiempos de recarga y abordando una de las barreras clave para la adopción del VE.
Conclusión
En resumen, la evolución de las baterías de los vehículos eléctricos ha estado marcada por avances significativos, con la tecnología de iones de litio dominando actualmente el mercado. A medida que la tecnología siga progresando, el futuro de las baterías para vehículos eléctricos promete una densidad energética aún mayor, una carga más rápida y una mayor sostenibilidad.
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Referencias:
[1] Manhart, Andreas & Magalini, Federico & Hinchliffe, Daniel. (2018). End-of-Life Management of Batteries in the Off-Grid Solar Sector ¿Cómo tratar los residuos peligrosos de las baterías de los proyectos de energía solar en los países en desarrollo? Publicación encargada por: GIZ Sector Project Concepts for Sustainable Solid Waste Management and Circular Economy; desarrollado en colaboración con Energising Development (EnDev).
[2] Madian, M.; Eychmüller, A.; Giebeler, L. Current Advances in TiO2-Based Nanostructure Electrodes for High Performance Lithium Ion Batteries. Batteries 2018, 4, 7. https://doi.org/10.3390/batteries4010007
