En 2019 se vendieron más de 2 millones de vehículos eléctricos en el mundo. Y su expansión no ha hecho más que empezar, ya que está previsto el lanzamiento de modelos de coches eléctricos por parte de todos los fabricantes de automóviles antes de 2022. El crecimiento de las ventas de este tipo de vehículos se acelerará conforme se incorporen avances tecnológicos en las baterías eléctricas, su fuente de energía. Las baterías juegan un papel clave en el rendimiento y el precio de los vehículos eléctricos, ya que la capacidad y el tiempo de carga junto con el coste de las baterías representan los hitos más importantes para la expansión de la movilidad eléctrica.
Para superar estos obstáculos y acelerar la electrificación del transporte, las empresas del sector de automoción están invirtiendo grandes esfuerzos en I+D. Así, la densidad de energía promedio de las nuevas baterías está mejorando un 5% anualmente y se está investigando en nuevas tecnologías químicas. También están aumentando las velocidades de carga de las baterías.
El coste de las baterías para vehículos eléctricos está mejorando notablemente, según indica el último informe de la Agencia Internacional de la Energía. El precio medio de las baterías en 2019 fue 156 $/kWh, cuando en 2010 era de más de 1.100 $/kWh. Por su parte, el tamaño medio de la batería en los vehículos eléctricos vendidos (eléctricos y eléctricos híbridos enchufables) continúa su tendencia al alza: 44 kWh en 2019, frente a 37 kWh en 2018.
Veamos los tipos de baterías existentes y sus contribuciones al transporte electrificado.
Baterías de plomo ácido
Las baterías de plomo-ácido se han utilizado tradicionalmente para el consumo eléctrico de servicios auxiliares en los vehículos de combustión, es decir, iluminación, arranque, etc. Su precio es asequible, y se pueden desarrollar baterías de alta potencia. Sin embargo, la baja densidad energética (30 Wh/kg), el bajo rendimiento a temperaturas frías, la velocidad de recarga y una vida útil limitada a un bajo número de ciclos de carga/descarga, no favorecen a esta tecnología de almacenamiento para su aplicación en vehículos eléctricos.
Baterías de níquel-hidruro metálico
Las baterías de níquel-hidruro metálico se han venido empleando desde el siglo pasado en muchos equipos electrónicos, y también en los coches híbridos (HEV), ya que ofrecen buenas prestaciones. Tienen un ciclo de vida mucho más largo que las baterías de plomo-ácido y mejor densidad energética (hasta 80 Wh/kg). Los principales inconvenientes son el elevado coste, alta autodescarga y problemas de funcionamiento a altas temperaturas. Anteriormente se fabricaban baterías de níquel-cadmio, pero este segundo elemento químico es muy contaminante por lo que prácticamente se han abandonado, a pesar de que dispone de mayor número de ciclos de carga y descarga que la batería de níquel-hidruro metálico.
Baterías de iones de litio
La batería de iones de litio es actualmente la tecnología más utilizada para el almacenamiento de energía y la propulsión de vehículos eléctricos. Además, es también la tecnología preferida para teléfonos móviles, ordenadores portátiles y otros dispositivos electrónicos. Presentan una buena densidad energética (200 Wh/kg), alta eficiencia energética, buen rendimiento a altas temperaturas y baja autodescarga. El principal inconveniente es su comportamiento inestable a altas temperaturas, que obliga a incorporar dispositivos de protección especiales. Además, ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de níquel-hidruro metálico a bajas temperaturas. La más utilizada en vehículos eléctricos es la batería con cátodo de Níquel-Manganeso-Cobalto (NMC). Sin embargo, el níquel y el cobalto tienen un elevado coste y pueden escasear en el futuro, por lo que algunos fabricantes de automóviles están comenzando a apostar por las baterías de Litio-Ferrofosfato (LFP), de las que se espera una evolución que permita alcanzar la autonomía de las tecnologías NCM pero con mayores vida útil y velocidad de carga a un precio competitivo.
Futuras tecnologías
El objetivo de la industria es desarrollar tecnologías químicas para baterías que reduzcan el coste de las baterías de vehículos eléctricos a menos de 100 $/kWh, aumente el alcance de los vehículos eléctricos por encima de los 500 kilómetros, y disminuya el tiempo de carga a menos de 15 minutos. Ese será el punto de inflexión para que el coche eléctrico pueda competir con los coches de combustión en precio y prestaciones.
Durante la próxima década, es probable que la batería de iones de litio continúe dominando el mercado de vehículos eléctricos. Se están realizando investigaciones para mejorar los tres componentes clave de las celdas en la próxima generación de las baterías de iones de litio: cátodo, ánodo y electrolito. Los desarrollos a corto plazo deberían permitir alcanzar densidades de energía hasta 275 Wh/kg, lo que supondrá un gran impulso para la autonomía de los coches eléctricos.
Después de 2030, varias tecnologías podrían superar los límites de rendimiento impuestos por la tecnología de baterías de iones de litio, incluyendo la batería de estado sólido de litio-metal, litio-azufre, ion de sodio, litio-aire, aluminio-aire, zinc-aire, y otras, lo que representaría una mejora del coste, la densidad y la vida útil de las baterías.
Las baterías de litio de estado sólido tienen una densidad de energía muy alta, son duraderas y muy ligeras. En este momento existen iniciativas de colaboración entre centros de investigación y fabricantes de automóviles para acelerar su futura aplicación. Las baterías de estado sólido usan un material electrolítico sólido en lugar del electrolito líquido habitual. El trabajo del electrolito es transportar iones entre los electrodos, a medida que la batería se carga y descarga. Los electrolitos sólidos abren la posibilidad de utilizar nuevos tipos de ánodo, como el litio metálico, lo que permite un mayor contenido de energía combinado con una mejor seguridad que los ánodos de grafito actuales.
Las baterías de iones de litio tienen muchas ventajas, pero hay elementos químicos metálicos mucho más abundantes, como el sodio, el potasio, el zinc y el aluminio. Estos elementos tienen una química similar al litio y se está investigando en baterías con ellos. El desarrollo de estas baterías se ha visto obstaculizada por la falta de materiales adecuados para los electrodos. Sin embargo, existen muchas esperanzas depositadas en el grafeno, un nanomaterial descubierto en 2004 que se obtiene del grafito, mucho mejor conductor térmico y eléctrico que el cobre, y además super-resistente, ligero y flexible. El grafeno ya se está probando como material para electrodos en las baterías de litio, lo que disminuiría el tiempo de carga y mejoraría la autonomía de los vehículos eléctricos, aunque presenta dificultades técnicas y elevados costes en el proceso de fabricación.
Los supercondensadores son otro elemento innovador que está atrayendo la atención de la industria del automóvil. Un vehículo eléctrico con supercondensadores podría acceder rápidamente a la energía de la batería para una aceleración instantánea y para otras funciones que requieren mucha energía. Por otro lado, el supercondensador también podría almacenar rápidamente la carga entrante a la batería, lo que pemitiría dosificar mejor la carga de la batería de litio durante períodos de tiempo más largos, acelerar la carga rápida del vehículo y extender la vida útil de la batería.
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