El equipo de investigación del científico canadiense Jeff Dahn continúa trabajando en el desarrollo de una batería capaz de soportar un millón de millas (1,6 millones de kilómetros) sin que la degradación de su química la penalice. Eso significa que es capaz de soportar miles de ciclos de carga y descarga, una cantidad muy superior a la que la industria del automóvil ha marcado como el límite inferior para poder ser empleadas en vehículos eléctricos. El colaborador de Tesla ha explicado en una conferencia on line que el sentido que tiene alcanzar esta vida útil es poder utilizar estas baterías en las redes V2G (vehicle to grid).
Jeff Dahn es uno de los investigadores más reconocidos en el campo de las baterías. Es pionero en el desarrollo de las celdas de iones de litio ya que ha trabajado en ellas casi desde que se inventaron. Entre sus aportaciones está haber aumentado el ciclo de vida de las celdas, lo que fue un punto de inflexión para el inicio de su comercialización. En 2016 se asoció con Tesla, que se ha encargado de financiar varias de sus investigaciones. Desde hace años, su equipo de la Universidad Dalhousie ha continuado trabajando en el desarrollo de las baterías que ahora se montan en los coches eléctricos del fabricante californiano. En los últimos años, sus trabajos dieron como fruto la presentación de varias de las patentes tecnológicas de Tesla que podría llevar a lograr una celda de batería que permita alcanzar autonomías de hasta un millón de millas (1,6 millones de kilómetros).
En octubre de 2020, el físico canadiense presentó los resultados parciales de su trabajo, asegurando que tras las pruebas realizadas con las celdas de baterías que desarrolla hace más de tres años, su duración va mucho más allá del millón millas. Es posible alcanzar 10.000 ciclos de carga y descarga, lo que permitirá una vida útil de más dos millones de millas, es decir 3,2 millones de kilómetros. Además, las pruebas muestran que cuando la descarga de las baterías se produce entre el 25 y el 50 por ciento de su capacidad, que es un uso que se podría considerar habitual para los recorridos diarios, la degradación es prácticamente nula.
Dahn también se refirió a estos resultados durante su aparición en la conferencia de software de baterías 'Twaice Vision', que fue organizada por el especialista en análisis de baterías Twaice, con sede en Múnich. Allí ha explicado que el objetivo real de esta batería no es que un coche eléctrico recorra con ella esa cantidad de kilómetros sino que pueda ser utilizado en redes V2G, lo que modifica algunas de sus declaraciones anteriores en las que había mencionado como un posible campo de aplicación para estas baterías los taxis eléctricos y autónomos que requerían un kilometraje extremadamente alto.
"Tenemos que prescindir de los combustibles fósiles", dijo Dahn durante su presentación. "Es más barato instalar paneles solares y energía eólica que quemar carbón. Sin embargo, la producción de energía no es constante, por lo que necesitamos almacenamiento de energía a gran escala".
Las redes V2G, solucionan el problema del escaso almacenamiento de energía
Los automóviles permanecen estacionarios la mayor parte del día, lo que facilita la flexibilidad de su recarga. La recarga bidireccional permite que cuando un coche eléctrico está recargando, la energía fluya tanto de la red eléctrica al coche como del coche a la red. De esta forma se consigue una doble función, ya que además de incrementar el uso de energías renovables, se logra una reducción de los costes eléctricos gracias a la posibilidad que ofrece el almacenamiento de energía en las baterías. A través de los sistemas V2G, los coches eléctricos tienen un gran potencial como impulsores de la transición energética, ya que son capaces de absorber las puntas de generación del sistema.
Teniendo en cuenta las instalaciones repartidas por todo el mundo, a partir de 2020 la producción de baterías se multiplicará, llegando a quintuplicarse en 2030. La gran mayoría de la capacidad de producción de celdas de batería anunciada y ya planificada se empleará en todo tipo de vehículos eléctricos; bicicletas, coches eléctricos, autobuses y camiones. "El crecimiento será impulsado por más por las aplicaciones de movilidad que por el almacenamiento de energía", asegura Dahn.
Por eso, para poder almacenar las cantidades de energía que necesita la red y cubrir la demanda se precisa del desarrollo de aplicaciones de V2G. Según Dahn esta estrategia será "inevitable". Con la carga bidireccional, la capacidad de almacenamiento incorporada en el automóvil eléctrico se puede utilizar para realizar tareas de red ya que la mayoría de ellos permanecen estacionados una gran cantidad de horas cada día.
Según el investigador, las celdas deben ser adecuadas para esta tarea. "Una batería diseñada para soportar 800 ciclos de carga y descarga, puede ser suficiente para soportar su empleo en cualquier vehículo eléctrico del mercado, sea cual sea su aplicación, pero no es útil para los servicios de las redes V2G". En estos casos, Dahn calcula que son necesarios 400 ciclos cada año para que una batería pueda cumplir correctamente en su empleo como almacenamiento de energía en la red. "Con 10.000 ciclos, una celda de batería de este tipo durará 25 años, lo que también coincide con la vida útil de los paneles solares y las turbinas eólicas", dice el investigador.
Para lograr tal resistencia al ciclado, el equipo de investigación de Dahn trabaja con aditivos que añade al electrolito. En las celdas convencionales, el electrolito reacciona con los materiales del electrodo a lo largo del tiempo, por lo que se deposita una fina capa de productos de reacción en las superficies del ánodo y del cátodo. Dado que muchos de estos productos de reacción contienen litio, continúan permitiendo el transporte de iones de litio, pero la película de "interfase de electrolito sólido" garantiza un transporte de iones reducido. A medida que la celda envejece, la capacidad utilizable disminuye.
Los aditivos reactivos del electrolito están destinados a reducir la reacción con el material del electrodo y, por lo tanto, la formación de esta película. "Usando estos aditivos, con solo un pequeño porcentaje por peso de mezcla, se puede prolongar considerablemente la vida útil de las baterías de iones de litio", dice Dahn.
La batería que Dahn desarrolla para las redes V2G
El equipo de Dahn está trabajando con una celda NMC 532 (50 % de níquel, 30 % de manganeso y 20 % de cobalto) con un ánodo de grafito. Estas celdas se compran secas, es decir, sin electrolito, a un proveedor chino. Luego, el electrolito se mezcla con los aditivos en el laboratorio. "Encontrar la mezcla ideal de aditivos es un gran desafío y dedicamos mucho tiempo a ello en el laboratorio", dice Dahn. Durante varios años, se desarrolló una combinación de materiales que mantiene el 90 % por ciento de su capacidad original después de 12.000 ciclos a temperatura ambiente.
Actualmente, tal durabilidad solo es posible en el laboratorio, e incluso eso solo con potencias de carga y descarga bajas. Esta celda fue cargada y descargada a 1C. Con hasta 3C, la durabilidad sigue estando por encima del promedio, pero no es tan elevada. Sin embargo, la operación a 1C es importante para las aplicaciones de vehículo a red cuando el automóvil se carga o descarga a baja potencia. Porque la carga rápida daña estas baterías de larga duración, como ocurre con las convencionales.
Como conclusión de su conferencia en 'Twaice Vision', Dahn advirtió sobre los diferentes desafíos que conllevan estas baterías respecto a las que se implementan en los coches eléctricos. Si la química de la celda es tan duradera, otros componentes como la carcasa, el hardware del módulo o el sistema de administración de la batería serán los que fallen primero. "Ya tuvimos un caso en nuestro laboratorio en el que el equipo de carga falló y tuvimos que mover la celda a un nuevo entorno", dice Dahn.
