Cómo funcionan las baterías para vehículos eléctricos? Una vista a la

La Electrificación es la vía más factible para alcanzar limpieza y eficiencia en el transporte, lo cual es crucial para el desarrollo sostenible en todas partes del mundo. En el futuro cercano, los Vehiculos Electricos - EV: Incluyendo los Vehiculos Híbridos - HEV, los Vehiculos Híbridos con Baterías Recargables - PHEV, y los Vehiculos Electricos Puros con Baterías Recargables - BEV dominaran el mercado de los Vehiculos Limpios. Para el año 2020, se espera que los modelos de Vehiculos Electricos sean más de la mitad de las ventas de los nuevos Vehiculos. La clave y la tecnología habilitadora para este cambio revolucionario es la Batería y tambien se podria decir el Cargador.

Toyota Prius Plug In Hybrid PHEV. Nueva Generación.

La importancia de los EV se ha verificado en la historia. El primer EV fue visto en la carretera poco después de la invención de baterías de plomo recargables y motores eléctricos a fines del siglo XIX. En los primeros años de 1900, hubo un periodo de oro de los EVs. En ese momento, el número de EV era casi el doble que el de coches de gasolina de potencia. Sin embargo, los vehículos eléctricos casi desaparecieron y dieron todo el mercado al motor de combustión interna - ICE debido a limitaciones de alto peso, corto alcance de viaje, largo tiempo de carga y poca durabilidad de las baterías en ese momento.

Las baterías de los EV son bastante diferentes de las usadas en dispositivos electrónicos de consumo como computadoras portátiles y teléfonos celulares. Se requieren para manejar alta potencia, hasta un cientos de kW, y alta capacidad de energía, de hasta decenas de kWh dentro de un espacio limitado, peso y a un precio asequible. Extensos esfuerzos de investigación e inversiones se han dado para el avance de las tecnologías de baterías que hoy día son adecuadas para EVs todo el mundo.

Lexus NX 300h. Hibrido HEV Autocargable. 2018.

Como se muestra en la tabla, las dos principales tecnologías de baterías usadas actualmente en los EV son hidruro metálico de níquel (NiMH) e ion de litio (Li-ion). Casi todos los HEV disponible en el mercado hoy en día utilizan baterías de NiMH debido a su tecnología madura. Debido al potencial de obtener mayor energía específica y densidad de energía, se espera que la adopción de baterías Li-ion crezca rápidamente en EV, particularmente en PHEVs y BEVs. Cabe señalar que hay varios tipos de baterías Li-ion basadas en química similar pero ciertamente diferente.

Tecnologías y capacidades utilizadas por los distintos fabricantes

Varios términos han sido definidos para las baterías para caracterizar su funcionamiento, los términos comúnmente usados son resumidos a continuación como una referencia rápida.

Celda, módulo y paquete: Una sola celda, cell, es una batería completa con dos cables y compartimiento separado conteniendo los electrodos, separador y el electrolito. Un módulo, module, se compone de unas pocas celdas conectadas, ya sea por fijación física o por soldadura en el medio las celdas. Un paquete de baterías, battery pack, está hecho de módulos y localizado en un contenedor simple para la gestión térmica. Un EV puede tener más de un paquete de batería situado en ubicaciones diferentes en el auto.

Capacidad de amperio-hora: La capacidad de amperio-hora, Ah, es la capacidad de carga total que puede ser extraída de una batería completamente cargada en las condiciones especificadas. El valor nominal de Ah es la capacidad nominal de una batería nueva con full carga bajo condiciones predefinidas por el fabricante. Una condición nominal, por ejemplo, se puede definir como 20 ° C y descarga a 1/20 C-rate. La gente también usa la capacidad Wh, o kWh para representa una capacidad de la batería.

Capacidad Nominal Wh = Capacidad Nominal Ah x Voltaje Nominal de la Batería

C-rate: Se utiliza para representar una tasa de carga o descarga igual a la capacidad de una batería en una hora. Para una batería de 1.6Ah es igual a cargar o descargar la batería a 1,6A. Correspondientemente 0,1C será equivalente a 0,16A y 2C para cargar o descargar la batería es 3.2A.

Energia Específica: La energía específica, llamada tambien densidad de energía gravimétrica se usa para definir cuanta Energia puede almacenar una batería por unidad de masa. Se expresa en Watthours por Kilogramo (Wh/kg).

Energia Especifica= Capacidad Nominal Wh /Masa de la Batería en kg

La Energia específica de una batería es el parámetro clave para determinar el peso total de la batería para un rango de milla del Vehículo Eléctrico.

Potencia Específica: La potencia específica, tambien llamada densidad de potencia gravimétrica de una batería es el pico de potencia por unidad de masa. Se expresa en Wattios por Kilogramo (W/kg).

Potencia Especifica= Potencia Nominal Pico/Masa de la Batería en kg

Densidad de Energia: Es tambien referido como densidad volumétrica de Energia, es la Energia nominal de la batería por unidad de volumen en litros (Wh/l).

Tecnologías de baterías utlizadas por los distintos fabricantes

Potencia Pico: La potencia pico es definida de la siguiente forma

Donde Voc es el voltaje de circuito abierto y R la resistencia interna de la batería. La potencia pico es definida como la condición cuando el voltaje es 2/3 del voltaje de circuito abierto.

Voltaje Cut-off: Es el minimo voltaje permisible especificado por el fabricante. Se puede interpretar como el estado vacío de la batería.

SOC – Estado de Carga: Es la capacidad remanente de la batería y puede ser afectado por las variaciones de las condiciones de funcionamiento como la corriente de carga y temperatura.

SOC es un parámetro de condición crítica para el manejo de las baterías. Una medición exacta del SOC es bastante complicada, pero es la clave para un funcionamiento saludable y seguro de las baterías.

DOD – Profundidad de la Descarga: Es utilizado para indicar el porcentaje de la capacidad de la batería que ha sido descargada. Para baterías de ciclo profundo, estas pueden ser descargadas hasta 80% o más.

SOH – Estado de Salud: Es la relación de la capacidad de carga máxima de una batería envejecida con relación al máximo de la capacidad de carga cuando la batería estaba nueva. SOH es un parámetro de alta importancia para indicar el grado de degradación del funcionamiento de una batería y tambien para estimar el tiempo de vida útil remanente.

Ciclo de Vida – Número de Ciclos: Es el número de ciclos de Descarga-Carga que la batería puede manejar a un DOD específico, normalmente del 80%, antes de que la batería comience a fallar en función de sus valores nominales operativos. La vida de funcionamiento de la batería es afectada por los ciclos de carga y descarga, DOD, y otras condiciones como la temperatura.

Un alto DOD producirá un corto ciclo de vida. Para alcanzar un alto ciclo de vida, una batería más grande puede ser utilizada para un bajo DOD durante funcionamiento normal.

General Motors, Saturn Vue Gren Line Hybrid Autocargable. 2008. 3,5L 6-cyl V. 1.8kWh NiMH.

Vida Calendario de Baterías: La vida calendario de la batería es el tiempo de vida esperado bajo almacenamiento o uso periódico bajo condiciones de ciclado. Puede estar relacionado con la temperatura y SOC durante el almacenamiento.

Inversión de Baterías: La inversión de la Batería ocurre cuando la batería es forzada a operar bajo voltaje negativo, es decir que el voltaje del electrodo positivo es menor que el del electrodo negativo. Esto puede ocurrir en una celda relativamente débil, en un String de batería conectado en serie. Mientras la capacidad utilizable de una celda débil se termina, el resto de las baterías en el mismo String continuaran supliendo la corriente y forzaran a la celda débil a invertir su voltaje. La consecuencia de la inversión de la batería es reducción en la vida útil o falla.

Sistema de Supervisión de Baterías BMS: BMS es una combinación de sensores, controladores, comunicación, conjuntamente con un sistema de microprocesador incluyendo su hardware y algoritmos de software diseñados para decidir el máximo de corriente de carga/descarga y la duración utilizando los estimados de SOC and SOH del pack de baterías.

Sistema de Supervisión Térmico TMS: El TMS es diseñado para proteger el pack de baterías de sobrecalentamiento y para extender su duración de vida útil. Un sistema de aire forzado es utilizado para baterías de NiMH, mientras que cuando se trata de baterías Li-ion, bombas y tuberías de líquido enfriante son utilizadas para aplicaciones de Vehiculos Electricos EV.

Tesla Roadster BEV y Falcon 9H. Lanzamiento del BEV Tesla Roadster al Espacio en Cohete Falcon Heavy 9H el pasado 2 de Febrero de 2018

Química de las Baterías

Diferentes químicas de baterías han sido propuestas como fuente de energía para vehiculos electricos desde que en 1990 se creó en California el requerimiento de Vehiculos de Emisión Cero, lo cual requería de un 2-10% de los vehiculos vendidos fuesen de emisión cero desde el año 1998-2003 respectivamente. Estas químicas de baterías incluían Plomo-Acido, Nickel-Cadmio, Nickel-Zinc, NiMH, Bromo-Zinc, Cloro-Zinc, Zinc-Aire, Sodio-Sulfuro, Sodio-Cloruro Metálico, y posteriormente, baterías Li-ion. Cada una de estas químicas tenían sus propias ventajas y desventajas. Hacia el final del siglo XX, la competencia entre baterías fue resuelta por la escogencia de General Motors por baterías NiMH para sus Vehiculos Electricos Puros EV-1. En la siguiente década, la tecnología de vehiculos híbridos HEV desarrollada por Toyota y Honda maduro y gano popularidad atraves de las combinaciones de ahorro de combustible, precio aceptable y un limpio record de seguridad. El requerimiento de una alta densidad de energía en PHEV y EV abre la discusión nuevamente para la tecnología de baterías de autos, dándole al Li-ion otra oportunidad de entrar en el mercado de las baterías de carros electricos.

Funcionamiento Básico de una Batería Recargable.

Una batería es compuesta por un electrodo positivo que tiene el potencial más elevado y un electrodo negativo que tiene el potencial más bajo con un electrolito conductivo aislante en el medio. Durante la carga, el electrodo positivo es el Anodo con la reacción de reducción, y el electrodo negativo es el Cátodo con la reacción de oxidación. Durante la descarga la reacción se invierte, y el electrodo positivo es ahora el Cátodo y el electrodo negativo el Anodo ya que pasa a comportarse como un elemento activo. En una celda sellada, el líquido electrolito es contenido en un separador para prevenir contacto eléctrico entre los dos electrodos. El separador sirve como un reservorio para electrolito extra. Tambien se tienen ahorradores de espacio permitiendo expansión de los electrodos: Una trampa de amonio para baterías NiMH y un dispositivo de seguridad para prevenir secado debido a la formación de dendritas de Litio en baterías Li-ion.

Un gráfico esquemático de las baterías recargables de NiMH se muestra en la Figura El material activo en el electrodo negativo es Hidruro Metálico – MH, un tipo especial de aleación intermetalica que es capaz químicamente de absorber y desorber hidrogeno. La más utilizada MH en las baterías de NiMH es Aleación tipo AB5 con estructura cristalina CaCu5, donde A es una mezcla de La, Ce, Pr, y Nd y B es compuesto de Ni, Co, Mn y Al. El material activo en el electrodo positivo es Ni(OH)2 el cual es el mismo químico usado en baterías recargables Ni-Fe y Ni-Cd desde hace más de 100 años. El Ni(OH)2 tiene una pobre conductividad, para compensar esta deficiencia se implementa en los productos comerciales la coprecipitacion de otros átomos, formación de redes conductivas fuera de la partícula, o estructura de revestimiento multicapa. El separador es típicamente hecho de Polietileno Injertado – PE o Polipropileno de Tela no Tejida. El electrolito usado es 30% Peso Solución Acuosa de KOH con un pH de 14.3 aproximadamente. En algunos casos para aplicaciones particulares, ciertas cantidades de NaOH y LiOH es agregada al electrolito.

Durante la carga, el agua es separada en protones H+ e iones hydroxyl OH- por el voltaje suplido desde la unidad de carga. El protón entra al electrodo negativo, se neutraliza con el electrón suplido por la unidad de carga atraves del colector de corriente y salta entre sitios de almacenamiento adyacentes por el túnel de mecánica cuántica.

Esquemático de la Carga de una Batería de NiMH

El voltaje es equivalente a la presión aplicada en una reacción de fase gaseosa y permanecerá cerca de un valor casi constante antes de que los protones ocupen todos los sitios disponibles. El OH- generado por la carga se adicionara el OH- ya presente en el electrolito KOH. En la superficie del electrodo positivo, algunos OH- se recombinaran con protones viniendo de Ni(OH)2 y formaran moléculas de agua.

La reacción completa de carga es como sigue:

M + Ni(OH)2 -> MH + NiOOH

Ni el agua ni el OH- es consumido, entonces no ocurren cambios en el valor del pH durante la carga/descarga. El estado de oxidación del Ni en el Ni(OH)2 es 2+. Como los protones son consumidos en la superficie del electrodo positivo, más protones son expulsados del almacén debido al voltaje y los gradientes de concentración. Perder un protón incrementa el estado de oxidación del Ni a 3+ en el NiOOH. Los electrones son recogidos por formas Ni o por la placa perforada de Ni y regresados a la unidad de carga para completar el circuito.

El proceso completo es revertido durante la descarga. En el electrodo negativo, los protones son enviados al electrolito y recombinados con el OH- mientras los electrones son empujados a la carga externa. Los electrones reentran el lado positivo del electrodo de la batería atraves de la carga externa y neutralizan los protones generados de la separación del agua en la superficie del electrodo positivo.

Una esquemática similar se muestra en la Figura No. 6. con las dos medias reacciones para la batería Li-ion en el modo de carga. La reacción completa es

C6 + LiMO2 -> LiC6 + MO2

El material activo más comúnmente utilizado en el electrodo negativo es el grafito. Durante la carga, los iones de Li, manejados por la diferencia de potencial suplida por la unidad de carga, se intercalan en la región entrecapa de grafito. El arreglo de protones de Li+ en grafito es coordinado por la capa superficie-electrolito-interface SEI, la cual es formada durante el proceso de activación inicial.

. Esquemático de la Carga de una Batería de Li-ion

El material activo en el electrodo positivo es un óxido metálico conjuntamente con Li, el cual es similar al Ni(OH)2 en la batería NiMH pero reemplaza el hidrogeno por Li-Litio. Durante la carga, el Li+ similar al H+ en NiMH salta a la superficie, y se mueve atraves del electrolito, y finalmente llega al electrodo negativo. El estado de oxidación del metal anfitrión aumentará y devolverá electrones a los circuitos externos. Durante la descarga el proceso se invierte. Los iones de Li-Litio ahora se mueven desde los sitios de intercalación en el electrodo negativo hacia el electrolito y entonces al sitio original en el cristal de LiMO2. El electrolito más comúnmente utilizado es una mezcla de carbonatos orgánicos como el Carbonato de Etileno, Dimetil Carbonato y Dietil Carbonato que contienen Hexaflorurofosfato (LiPF6). El separador es una estructura multicapas de PP, la cual provee resistencia de oxidación y PE, el cual provee una alta velocidad de apagado en caso de cortocircuito.

Tesla Roadster Sport 2.5. Vehículo Eléctrico de Baterías con Autonomía de hasta 250mi-400km extensible. Espacio en Cohete Falcon Heavy 9H el pasado 2 de Febrero de 2018.

Bibliografia

[1] Electric Vehicle Integration into Modern Power Networks. Electric Vehicle Battery Technologies. K. Young. C. Wang. L. Y. Wang. K. Strunz. Springer. NY. (2013)

[2] Toyota Prius. Wikipedia

[3] Tesla Roadster Sport 2.5. Tesla.

Más información:

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