Las baterías de litio se han convertido en algo fundamental en nuestras vidas, tanto es así que cada día convivimos con varias de ellas sin apenas darnos cuenta. Alimentan todos los dispositivos electrónicos del mercado, empezando por los teléfonos móviles y pasando por juguetes, ordenadores, y también los vehículos eléctricos que nos transportan. Sin embargo, no todas son iguales ya que la composición química del cátodo las hace apropiadas para diferentes aplicaciones. A continuación se describen las seis más importantes que se comercializan hoy en día.
Las ventajas de las baterías de litio son indiscutibles porque son energéticamente muy densas y ofrecen una vida útil suficientemente larga. Sin embargo, también pueden ser inestables y propensas a incendiarse en determinadas circunstancias. Por eso es importante conocer las diferentes composiciones químicas con las que se fabrican para conocer por qué no todas son apropiadas para emplearse en un vehículo eléctrico.
Que las baterías de iones de litio no son todas iguales lo demuestra la propia práctica. En un teléfono móvil no es de esperar una duración superior a los tres años, mientras que en un coche eléctrico deben durar más de una década. Sin embargo, técnica y químicamente su funcionamiento sí es el mismo. Los iones de litio almacenan la energía creando una diferencia de potencial eléctrico entre los polos negativo y positivo de la batería. Estos se aíslan utilizando un material separador para evitar descargas internas. Aunque bloquea los electrones, el separador permite el paso de los iones de litio que viajan a través del electrolito situado entre ambos electrodos. Cuando la batería se carga, los iones se mueven del lado positivo al negativo a través del separador. Cuando se descarga, los iones se mueven en la dirección opuesta.
Para el caso de los vehículos eléctricos, las baterías deben cumplir una serie de requisitos técnicos imprescindibles. Entre ellos una alta densidad energética, una alta densidad de potencia y un elevado número de ciclos de carga y descarga que aseguren una larga vida útil. Todos ellos influyen en el coste de la batería que, por otro lado, debe reducirse para lograr un coche eléctrico asequible.
Seis tipos de químicas para las baterías de litio
Según los productos químicos y los materiales utilizados para construir las celdas de iones de litio, se obtienen diferentes características. No existe una celda mejor que las demás, sino que cada una de las químicas tiene las ventajas y los inconvenientes intrínsecos a su naturaleza, lo que determina cuáles son las mejores aplicaciones para cada uno de ellas. Los diferentes tipos se nombran por los materiales activos utilizados para construirlos.
Baterías LFP
Las baterías de litio ferrofostato (LiFePO4) han comenzado a recibir atención por parte de la industria del automóvil desde que Tesla decidió implementarlas en el Model 3 de Autonomía estándar que fabrica en Shanghái. Utilizan fosfato como material para el cátodo y un electrodo de carbón grafítico como ánodo. Tienen largos ciclos de vida, buena estabilidad térmica y trabajan bien en el sentido electromecánico. Su mayor inconveniente está en su baja energía específica, que se traduce en una reducción de la densidad de energía respecto a otras tipologías, pero también en un menor coste, puesto que no precisan de cobalto, un material caro y complicado de conseguir.
Las celdas LFP funcionan a voltajes nominales altos, 3,2 voltios, por lo que la conexión de cuatro celdas dará como resultado una batería de 12,8 voltios. Por eso, hasta ahora, la química LFP era la mejor para reemplazar las baterías de ciclo profundo de plomo-ácido en diversas aplicaciones.
Precisamente, su baja densidad energética es la que ha limitado esta tecnología a algunos vehículos de gran tamaño, ya que su coste es significativamente inferior y son incluso más seguras. Esta situación ha llevado a que sea el mercado chino el primero que ha adoptado esta tecnología, razón por la que el 95 % de las baterías LFP se fabrica allí. Tesla ha aprovechado esta circunstancia para montarla en el Model 3 de Autonomía estándar que se fabrica en Shanghái (y se está pensando en hacerlo en todas sus fábricas), con unos resultados muy prometedores.
Baterías LCO
El óxido de litio y cobalto (LCO) es un material en capas que se ha utilizado como cátodo para baterías de iones de litio durante muchos años. A pesar de buen resultado en su aplicación en sistemas de almacenamiento de energía pequeños, como la electrónica portátil, el coste y la toxicidad del cobalto son barreras para su uso en sistemas más grandes. Muchas investigaciones se dirigen a reemplazar el cobalto por elementos más seguros y asequibles, como el níquel, sin comprometer el rendimiento del material.
Las baterías LCO tienen una energía específica alta pero una potencia específica baja. Por eso son adecuadas para aplicaciones que requieren baja potencia, como son los dispositivos electrónicos portátiles, teléfonos y ordenadores portátiles. Si bien la seguridad se ha extremado en ellas, su corta vida útil y la presencia de cobalto, que encarece su producción, les ha hecho perder popularidad frente a otras baterías que empelan componentes diferentes.
Baterías LMO
Las baterías LMO utilizan óxido de litio y manganeso como material del cátodo, lo que da como resultado una estructura tridimensional para este. Con esta arquitectura se mejora el flujo de los iones de litio, lo que conlleva beneficios adicionales como un mejor manejo de la corriente eléctrica, una mayor estabilidad térmica y más seguridad.
Las baterías LMO se cargan rápidamente y ofrecen una alta potencia específica, lo que las hace ideales para herramientas eléctricas e incluso para algunos vehículos híbridos y eléctricos. El principal inconveniente es la vida útil que proporcionan, muy corta para aplicaciones en el sector del automóvil, ya que tan solo soportan entre 300 y 700 ciclos de carga y descarga, cuando la industria automotriz exige al menos 1.000 ciclos para asegurar una década de uso.
Baterías NCM
Las baterías de litio, níquel, óxido de cobalto y manganeso (NCM) se pueden considerar hoy en día, casi, como un estándar en la industria del automóvil. Con diferentes porcentajes de cada uno de sus componentes su uso está muy generalizado, aunque están llegando al límite de su rendimiento. Ofrecen una alta energía específica y, al mismo tiempo, son muy estables.
Estas características, además de hacerlas adecuadas para herramientas eléctricas, las hacen ideales para sistemas de propulsión en prácticamente todos los tipos de vehículos eléctricos, desde bicicletas, pasado por scooters hasta los coches de todos los tamaños.
El principal inconveniente es el voltaje de funcionamiento, que es inferior al de otras químicas de baterías. Entre las familias de NMC existen diferentes proporciones entre los tres materiales. Los que incluyen un alto contenido de níquel se han convertido en el foco de la investigación actual debido a la mejora que aportan en la capacidad específica de las baterías. Sin embargo, los cátodos NMC, sometidos a altos voltajes, son más inestables cuanto más alto es el porcentaje de níquel, degradándose muy rápidamente. Para su uso en vehículos eléctricos se necesitan potencias elevadas y una alta densidad de energía para ofrecer una de aceleración óptima y autonomía suficiente, lo que les obliga a operar a altos voltajes.
Baterías NCA
Las baterías de níquel, cobalto, óxido de aluminio y litio (NCA) ofrecen la energía específica más alta, acompañada por una potencia específica suficiente y un ciclo de vida prolongado. Esta es la razón por la que son muy adecuados para el mercado de vehículos eléctricos, a pesar de que necesitan controles de seguridad muy altos debido a su naturaleza más inestable.
De hecho, el principal fabricante que emplea este tipo de baterías es Tesla, que las implementa en la mayoría de sus vehículos, excepto en la versión base Model 3, que recientemente comenzó a utilizar la química LFP.
Baterías LTO
Las baterías de titanato de litio (LTO) usan este material en lugar de grafito para el ánodo, mientras que el cátodo está compuesto de con químicas LMO o NMC. Esto da como resultado una batería extremadamente segura con una larga vida útil y que se carga más rápido que cualquier otro tipo de batería.
Aunque todo esto suena ideal, su mayor inconveniente es una menor densidad de energía y un coste elevado de producción. Suelen utilizarse en equipos militares y aeroespaciales, y también para el almacenamiento de energía eólica y solar, así como en estaciones de carga y algunos vehículos eléctricos.
Las baterías de los vehículos eléctricos
Si bien las baterías LCO son hoy en día las más utilizadas para la mayoría de los teléfonos y dispositivos portátiles, para los vehículos eléctricos las más empeladas son las NCM y las NCA, mientras que las LFP están creciendo en popularidad y usos.
Los científicos trabajan hoy en día en buscar materiales para reemplazar el litio y el electrolito por el que viajan sus iones. Las baterías de estado sólido (que utilizan un electrolito sólido) son una de las grandes esperanzas de la industria ya que prometen ampliar las capacidades de iones de litio y, al mismo tiempo, eliminar algunos de sus inconvenientes.
Empaquetamiento
Cuando se trata de vehículos eléctricos, la química no es lo único que importa. También juega un papel importante la forma de empaquetamiento de las celdas. Las baterías cilíndricas, prismáticas y tipo bolsa son los tres tipos de embalaje que se utilizan en los vehículos eléctricos. Esto complica aún más las cosas, ya que cada tipo ofrece tiene propiedades diferentes.
¿Por qué tipo de celda se decanta cada fabricante? Precisamente sobre este tema, Addionics y CIC energiGUNE han realizado una investigación en profundidad cuyo resumen se puede encontrar en este enlace.