Tim Grewe, director de sistemas de baterías y electrificación global de General Motors, ha desvelado la estrategia tecnológica del grupo americano para reducir los costes de producción de las baterías de sus vehículos eléctricos. La compañía ha trabajado sobre la química de las celdas que incluyen aluminio y reducen el cobalto. Además, el diseño tipo bolsa y el empaquetamiento modular y escalable permiten utilizar la misma celda para las diferentes baterías.
En marzo de este año, General Motors presentó sus nuevas baterías Ultium, cuya química tendrá capacidad para proporcionar 640 kilómetros (400 millas) de autonomía con cada carga. Además, su empaquetamiento permitirá que el coste de producción sea inferior a los 100 dólares/kWh. El primero de los modelos que montará estas nuevas baterías será el Hummer eléctrico, anunciado oficialmente en enero de 2020 y cuya producción está prevista para otoño de 2021. General Motors asegura que gracias a estas baterías, la primera generación de sus coches eléctricos será rentable desde su salida al mercado.
En una sesión informativa realizada de forma virtual, Tim Grewe explico de manera exhaustiva el enfoque de la compañía en relación con la química y el empaquetamiento final de estas baterías, incluyendo el diseño de las celdas y los módulos. La producción de correrá a cargo de la empresa conjunta creada con LG Chem, con sede en Lordstown, en el estado de Ohio (Estados Unidos), en la que han invertido 2.300 millones de dólares.
La nueva química
Las baterías Ultium están formadas por celdas tipo bolsa de gran formato, apilables, que ofrecen una mayor flexibilidad para su empaquetamiento y altas posibilidades de almacenamiento de energía. De esta forma logran un 60% más de potencia que las baterías que actualmente utiliza Chevrolet en el Bolt.
Modularidas y escalabilidad de las baterías Ultium de General Motors.
La química del cátodo ha sido desarrollada íntegramente por General Motors y pasa de la habitual NCM (níquel-cobalto-manganeso) a una mezcla NCMA, en la que se incluye un nuevo componente, el aluminio, que es clave para reducir la proporción de cobalto y para el abaratamiento de la batería. "Este es un gran avance en el camino hacia baterías de bajo costo, manteniendo el rendimiento y la autonomía", asegura Grewe. Además, el aluminio incluido en la estructura del cátodo, aporta otra ventaja en el incremento de la vida útil de la batería.
El diseño
La simplificación de los procesos, la modularidad y la racionalización son la base para lograr una producción rápida y de alto volumen. Grewe asegura que el tamaño y el formato bolsa de las celdas son críticos. Utilizando un único tipo de celda para las baterías, "todos nuestros vehículos se aprovecharán del beneficio de la escalabilidad y de los procesos de control de calidad de fabricación".
Las celdas tipo bolsa son más grandes que las cilíndricas. Cada una de ellas tendrá una capacidad de 100 Ah, mientras que una celda cilíndrica individual suele rondar los 20 Ah. En lugar de enrollar los electrodos, se colocan en un plano y se sueldan obteniendo una bolsa larga y única. Este diseño permite a General Motors apilar estratégicamente las bolsas para cada aplicación; verticalmente para una furgoneta de gran altura u horizontalmente para un deportivo muy bajo. Este enfoque modular y apilable permite el mejor empaquetamiento para situar la batería en el suelo del vehículo.
La planta de baterías de Ohio, con un tamaño de 30 campos de fútbol, alcanzará una producción de 30 GWh anuales. Si General Motors fabricase un millón de coches eléctricos cada año, la capacidad media de sus baterías sería de 30 kWh. Grewe asegura que la planta aumentará su capacidad, duplicándola si es necesario, expandiendo sus instalaciones y aumentando la velocidad de los procesos de fabricación.
Para los vehículos eléctricos que General Motors venda en China, las celdas que se fabricarán allí directamente serán prismáticas en vez de tipo bolsa.
Baterías Ultium de General Motors.
Otros avances
Grewe también aludió a una serie de proyectos de I+D ya en marcha, que se irán implementando con el tiempo, según se vayan desarrollando. Entre ellos se incluyen electrolitos de nueva generación para crear una batería de un millón de millas (1,6 millones de km), ánodos sólidos de metal de litio, químicas sin cobalto y nuevos separadores.
Las celdas con químicas distintas y módulos de diferentes tamaños, e incluso futuros componentes de la batería, serán intercambiables dentro del paquete final. Un sistema de comunicación inalámbrica permitirá a los talleres extraerlos y combinarlos, reparando o mejorando cada módulo problemático en lugar de reemplazar el paquete completo.
En cuanto al reciclaje de las baterías, Grewe aludió de nuevo a las propiedades del diseño tipo bolsa. Estas tienen un lado positivo y un lado negativo, como si fuesen dos pestañas conectadas o soldadas a los electrodos. Se puede desmontar cada celda muy fácilmente separando las pestañas. "El cátodo queda en la mano derecha y el ánodo en la izquierda". No hay mezclas ni necesidad de realizar ningún proceso químico para separarlos". De esta forma habilitamos el reciclaje de bajo coste de las baterías".
