Que los coches eléctricos son el futuro, nadie lo discute. Por eso, la carrera por el desarrollo y mejora de sus componentes es imparable. Uno de los elementos que más interés suscita son, indudablemente, las baterías, porque de ellas dependen en gran medida no sólo las prestaciones del propio vehículo sino también su vida útil y su precio.
A día de hoy, las baterías de iones de litio dominan el mercado actual y, aunque cada vez están más perfeccionadas, todavía pueden optimizarse más. Precisamente, Porsche participa directamente en proyectos para mejorar su capacidad de carga, seguridad y vida útil, a través del Grupo Cellforce y Group14 Technologies.
"El litio puro es el material de ánodo activo ideal en términos de densidad energética", afirma Stefanie Edelberg, ingeniera especialista en Celdas de Baterías de Porsche Engineering. "Sin embargo, por razones de seguridad, en la actualidad los grafitos se utilizan principalmente como materiales activos del ánodo que pueden absorber iones de litio". Además, la capacidad de carga de las baterías es muy alta y su precio es relativamente bajo. A esto hay que añadir su larga vida útil: "entre 1.500 y 3.000 ciclos de carga completa hasta alcanzar una capacidad residual del 80 % no suponen ningún problema", afirma Falko Schappacher, director comercial y técnico del Centro de Investigación de Baterías MEET de la Universidad de Münster (WWU). Actualmente. se prevén vidas útiles de las baterías de coche de hasta un millón de kilómetros.
Silicio para el ánodo
Como la tecnología de iones de litio es un sistema multicomponente, hay muchas formas de perfeccionarla aún más. Uno de los componentes que puede optimizarse es, por ejemplo, el ánodo, sustituyendo el grafito que se uiliza actualmente como material activa por silicio, que ofrece una capacidad de almacenamiento diez veces mayor. "Los ánodos de silicio aumentarían significativamente la capacidad total de la batería de iones de litio", subraya Schappacher. Edelberg también señala sus ventajas: "El silicio es de especial interés porque permite celdas con densidades de energía muy altas. Además, es el segundo elemento más común de la corteza terrestre". Es decir, estaríamos ante celdas con una gran capacidad de carga rápida, que pueden pasar del 5 al 80% en menos de 15 minutos.
Por contra, el uso de silicio puede mermar la vida útil de la batería, por eso desde Cellforce y Porshec están trabajando en ánodos con una proporción muy elevada de silicio, hasta el 80%, que puede reducir los efectos perjudiciales sobre la batería.
Níquel para el cátodo
Otro de los componentes sobre los que se está trabajando es sobre los materiales activos para el cátodo. Lo importante en este caso es la combinación de una gran capacidad de carga y un elevado potencial electroquímico del material. En la actualidad, el óxido de litio-níquel-cobalto-manganeso (NCM) en una proporción de 6:2:2 (proporción de níquel, cobalto y manganeso) es el más utilizado en electromovilidad en Europa. En el futuro, es probable que aumente la proporción del níquel, mientras que el cobalto y el manganeso se utilizarán en menor medida. La creciente proporción del níquel puede hacer posible una mayor capacidad de carga.
El separador es otro elemento con potencial de optimización. Consiste en láminas muy finas (de 10 a 20 micrómetros), en su mayoría de polietileno o polipropileno. Este separador ahorra espacio y peso. "Puede contribuir indirectamente al contenido energético de una celda de batería. Cuanto más fino es, más capas o bobinas de electrodos caben en una celda. Esto aumenta su capacidad y contenido energético", asegura Edelberg.
Baterías sólidas compactas
Otro de los campos que se están investigando intensamente es el de las baterías sólidas, que podrían necesitar mucho menos espacio de instalación que las baterías de iones de litio convencionales. "El plan para las baterías sólidas es que el separador clásico se sustituya completamente por una fina capa de electrolitos sólidos. El electrolito sólido es entonces electrolito y separador en uno", explica Edelberg.
Al eliminar las soluciones electrolíticas y utilizar al mismo tiempo ánodos metálicos de litio, los investigadores esperan conseguir un aumento de la densidad energética de hasta el 50%, y posiblemente tiempos de carga significativamente más rápidos, así como una baja inflamabilidad del electrolito sólido. En comparación con otros avances, como las baterías de litio-aire, Schappacher considera que las baterías de litio en estado sólido (SSB) son "una alternativa seria a las baterías de iones de litio".
Las baterías de iones de sodio son especialmente interesantes para aplicaciones de almacenamiento local debido a su menor densidad energética. La tecnología de litio-aire sigue planteando muchos retos y, tal como están las cosas, no cabe esperar muchas ventajas. "En la actualidad, y también en un futuro previsible, las pilas de litio-aire siguen siendo un tema de investigación básica", afirma Edelberg.
Empaquetado y diseño de celdas
Pero la química celular no es la única forma de optimizar las baterías. Los sensores y el empaquetado de las celdas ofrecen otras posibilidades. Los niveles de carga de la batería, por ejemplo, pueden detectarse con mayor precisión y rapidez mediante sensores en las celdas. Esto permite acortar el tiempo de carga en rangos de voltaje especiales. La refrigeración de las celdas también puede controlarse con mayor precisión, lo que favorece la longevidad de las baterías.
En el futuro, el empaquetado y el diseño de las celdas también desempeñarán un papel importante en la fabricación de baterías más potentes. La tecnología "celda a paquete", por ejemplo, integra las celdas directamente en la batería. "Esto elimina las piezas pequeñas de las baterías actuales", afirma el profesor Maximilian Fichtner, director del Instituto Helmholtz de Ulm (HIU) y jefe de la Unidad de Investigación de Sistemas de Almacenamiento de Energía del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT).
"En lugar de conectar individualmente celdas del tamaño de una tableta de chocolate, ahora las celdas de hasta 1,20 metros de longitud se encapsulan estrechamente cuando se instalan transversalmente en un bastidor, igual que el somier de una cama", insiste. El resultado es más capacidad de almacenamiento y mejor refrigeración en menos espacio.
Hasta 1.300 kilómetros
"A medio plazo, podemos esperar que la combinación de la nueva química de ánodos y el denso empaquetado de las celdas permita una autonomía del vehículo de 1.300 kilómetros", afirma Fichtner. Schappacher también es optimista, aunque sea difícil predecir el impacto de avances tecnológicos como la batería de estado sólido. "Creo que en el futuro veremos aumentos de entre el 30% y el 50% en la autonomía de los vehículos prémium", espera el experto.
Todo ello sin olvidar otro tema crucial, como subraya Schappacher: "más importante que el simple aumento de la autonomía es la capacidad de carga rápida". Y confía en que, algún día, la carga rápida hasta el 80% de la autonomía del vehículo no lleve mucho más tiempo que una parada para repostar.
"En el Taycan actual, por ejemplo, se ha podido alcanzar un tiempo de 22,5 minutos al cargar del 5% al 80%", explica Markus Gräf, director de Operaciones del Grupo Cellforce. "Con el silicio como material anódico, pueden alcanzarse valores inferiores a 15 minutos a medio plazo y sensiblemente inferiores a largo plazo". Con baterías de iones de litio optimizadas y nuevas tecnologías como las baterías de estado sólido, los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica serán mucho más eficientes en los próximos años, lo que hará aún más atractiva la movilidad eléctrica.
