Una guía de GlobalData para las tecnologías de sistemas de propulsión de vehículos eléctricos de la competencia
Las baterías son los barriles de petróleo del siglo XXI
Durante la última década, la industria de las baterías ha progresado lo suficiente como para permitir la electrónica de consumo portátil, la Internet móvil, los primeros automóviles eléctricos y la adopción inicial del almacenamiento y la generación intermitente de energía renovable. Dado el papel cada vez más acelerado y en expansión de la energía almacenada en la lucha contra el cambio climático, se convertirá en una de las industrias más importantes del mundo en los próximos diez años.
¿Habrá suficientes baterías?
A medida que los gobiernos de todo el mundo se tomen en serio la descarbonización de sus economías, la demanda de baterías baratas, seguras, de alto rendimiento, duraderas y con baja huella de carbono se disparará, sobre todo por parte de la industria automotriz.
En consecuencia, los cuellos de botella en la cadena de suministro se materializarán durante la próxima década. La falta de materias primas de bajo costo y fáciles de purificar para alimentar las gigafábricas de baterías existentes y planificadas en el mundo es la mayor amenaza para la seguridad del suministro. Además, la disminución de la inversión en minas de minerales cruciales –junto con la creciente importancia de los factores ambientales, sociales y de gobernanza (ESG)– restringirá el desarrollo de nueva capacidad.
Es probable que para 2025 se produzca una escasez mundial de baterías, grave pero temporal, debido a un fuerte aumento de la demanda de vehículos eléctricos (EV) y a la escasez de metales para baterías extraídos y refinados. Sin embargo, la industria está invirtiendo mucho para evitar que esto se convierta en una amenaza sostenida, reduciendo el uso de materiales escasos, desarrollando nuevos materiales y tecnologías de baterías y, lo más importante, creando una industria global de reciclaje de baterías.
Mientras tanto, el control de China de toda la cadena de suministro global, desde minas y refinerías hasta marcadores de componentes y productores de células, es un problema geopolítico cada vez mayor. Estados Unidos y Europa están tomando medidas importantes para reducir la dependencia de China dentro de sus cadenas de suministro de baterías para 2030. El reciclaje de baterías tiene tanto que ver con la geopolítica como con la sostenibilidad ambiental. La economía circular de las baterías será fundamental para la transición energética, y los países (y las empresas) deben desarrollar el reciclaje nacional a medida que los volúmenes de vehículos eléctricos y los volúmenes al final de su vida útil aumentan considerablemente.
La química – algunos principios básicos
Las tecnologías de baterías abarcan muchas químicas, diferentes tipos de celdas y tecnologías alternativas.
Una batería es un recipiente formado por una o más celdas electroquímicas en las que la energía química se convierte en electricidad. Se utilizan como fuente de poder. Las baterías son facilitadores críticos de muchas otras tecnologías. Son parte integral de los estilos de vida móviles modernos y la producción en masa de vehículos eléctricos (EV). Las tecnologías de baterías y almacenamiento de energía serán fundamentales en la transición hacia las energías renovables.
Hay dos tipos de celdas de batería: celdas primarias y celdas secundarias.
- Las celdas primarias producen una corriente eléctrica mediante una reacción química irreversible y se denominan baterías desechables.
- Las células secundarias crean esta corriente eléctrica mediante una reacción química reversible. A menudo se les llama baterías recargables o celdas de almacenamiento.
Una pila de combustible es otra fuente de energía, pero no es una batería. Las baterías crean energía utilizando los productos químicos que ya contienen. Por el contrario, una pila de combustible utiliza un suministro externo continuo de combustible que fluye a través de ella como fuente de sustancias químicas para la generación de electricidad. Las pilas de combustible se han utilizado en sondas espaciales no tripuladas, automóviles y como energía de respaldo de emergencia. Sin embargo, los combustibles utilizados (normalmente hidrógeno) se han considerado demasiado peligrosos para el uso diario.
Las baterías convierten la energía química en energía eléctrica
Las baterías almacenan energía química y la convierten en energía eléctrica mediante una reacción electroquímica. Constan de tres componentes principales: un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo) y un electrolito. Los dos electrodos están hechos de materiales diferentes. Los electrodos están separados entre sí por un separador semipermeable a determinadas especies químicas y la batería está alojada en una carcasa.
Cuando una batería se conecta a un circuito eléctrico, ocurre una reacción electroquímica. Los electrones fluyen desde el ánodo, a través del cable para alimentar un dispositivo conectado y hasta el cátodo.
Cada celda de la batería contiene una cantidad limitada de material reactivo. Con el tiempo, los procesos electroquímicos dentro de la batería dejarán de suministrar electrones al electrodo negativo y la electricidad dejará de fluir. Por este motivo, la potencia disponible en una batería es limitada.
Recarga
Las baterías secundarias se pueden recargar utilizando una fuente externa, como paneles solares, turbinas eólicas, frenos de automóviles o red eléctrica. Durante la recarga, las reacciones electroquímicas ocurren a la inversa, restaurando la celda y sus componentes a un estado cercano a su estado original. Sin embargo, fenómenos como el endurecimiento de las baterías y la formación de dendritas impiden que las baterías se recarguen un número infinito de veces. Las dendritas pueden provocar cortocircuitos peligrosos, aunque se están desarrollando separadores cerámicos para ayudar a aliviar el problema.
Los iones de litio (Li-ion) son la tecnología de baterías dominante para dispositivos conectados (por ejemplo, computadoras portátiles y teléfonos inteligentes), vehículos eléctricos (EV) y almacenamiento de energía renovable en el hogar. En todos estos casos de uso, la seguridad es de suma importancia. El Li-ion gana en estos campos debido a su seguridad. A medida que crece la demanda de baterías más pequeñas, más potentes y con ciclos de vida más largos, los investigadores intentan activamente resolver los problemas de cortocircuito y sobrecalentamiento, que pueden provocar incendios y explosiones peligrosos.
Las células de iones de litio almacenan más energía para un peso determinado (densidad de energía)
Las celdas de iones de litio pueden almacenar más energía para un peso y volumen determinados que las baterías de plomo-ácido o de NiMH y permiten una recarga y descarga más rápida. Estas propiedades los hacen ideales para el almacenamiento de energía en vehículos eléctricos, donde es esencial una gran densidad de energía en un paquete liviano.
Las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) son otro tipo de batería que se utiliza en la electrónica portátil actual. Los LFP tienen una densidad de energía más baja que las baterías de iones de litio, por lo que estas últimas son la opción típica para los dispositivos electrónicos que consumen mucha energía y agotan las baterías a altas velocidades. Sin embargo, los LFP pueden soportar altas temperaturas con una degradación mínima y son adecuados para objetos que necesitan funcionar durante períodos prolongados antes de cargarse. Además, las baterías LFP suelen tener más ciclos de vida que las baterías de iones de litio. Es decir, se podrán cargar y descargar más veces. Podría decirse que una de las mayores ventajas de los LFP sobre las baterías de iones de litio es la seguridad. La estabilidad térmica y química mejorada significa que los LFP se mantienen frescos en temperaturas altas y son incombustibles (no se incendian) si se manejan incorrectamente durante la carga o descarga rápida, o durante un cortocircuito.
También se están desarrollando químicas avanzadas para baterías que pueden ofrecer ventajas sobre las baterías disponibles comercialmente.
Las ventajas de rendimiento incluyen un peso más ligero, mayor densidad de energía, mayor tolerancia a la temperatura, ciclo de vida extendido y mayor seguridad. Por ejemplo, el electrolito líquido de las baterías de iones de litio puede volverse increíblemente volátil si se expone al aire exterior, como durante un accidente o una falla de la estructura de la celda. Los incendios de baterías de litio son especialmente violentos y difíciles de extinguir y, a menudo, es necesario sumergirlos completamente en agua durante varios días para volverse completamente inertes. No hay evidencia que sugiera que los incendios de vehículos eléctricos ocurren con mayor frecuencia que los incendios de vehículos de combustión; de hecho, pueden ser incluso menos probables estadísticamente.
Sin embargo, los fabricantes de vehículos eléctricos aún deben asegurar al público que sus vehículos son seguros. El desastroso lanzamiento por parte de Samsung del Galaxy Note 7, un teléfono inteligente plagado de incendios de baterías de iones de litio, puso de relieve los peligros potenciales de esta química de la batería, un error que los fabricantes de vehículos eléctricos no querrán repetir.
Las baterías de estado sólido son la siguiente opción más viable
Las celdas de estado sólido generalmente utilizan la misma reacción química basada en iones de litio para almacenar y descargar energía que las celdas convencionales. La diferencia radica en el electrolito utilizado para separar el ánodo y el cátodo. Las celdas convencionales utilizan un electrolito de base líquida (comúnmente una sal de litio suspendida en un solvente orgánico), mientras que las celdas de estado sólido lo reemplazan por un electrolito sólido delgado como una oblea, generalmente hecho de cerámica, polímero o vidrio.
Eliminar el electrolito líquido aporta muchos beneficios potenciales. Las celdas de estado sólido son más livianas y compactas que sus contrapartes de base líquida, lo que significa que se puede reducir el peso del paquete o aumentar la capacidad energética. Deberían ser más resistentes a la formación de dendritas de litio, lo que mejorará el rendimiento de descarga de energía y aumentará las velocidades de carga potenciales, además de extender la vida útil del paquete de baterías. Además, una vez que se logre la fabricación en masa, deberían ser más fáciles y rápidas de fabricar que las celdas de iones de litio convencionales gracias a la eliminación de disolventes industriales.
Las ventajas de las celdas de estado sólido son aún más pronunciadas en el ámbito de la seguridad de las baterías. Los incendios provocados por células de iones de litio defectuosas o dañadas han recibido amplia publicidad (por ejemplo, el Chevrolet Bolt y sus baterías de LG). En muchos casos, estos incendios se producen porque una falla interna o un daño externo han provocado que el electrolito de litio volátil quede expuesto al aire exterior, lo que provoca que se encienda y desencadene una reacción en cadena que puede destruir todo el paquete de baterías. Los electrolitos sólidos evitan estos problemas por completo y son altamente resistentes al fuego y la explosión, incluso en caso de perforación o impacto.
Si bien ofrecen muchos beneficios teóricos, ninguna empresa ha demostrado todavía la capacidad de fabricar en masa celdas de estado sólido para vehículos ligeros, y la mayoría aún se encuentra en la etapa de prueba en banco. Todavía quedan algunos problemas por resolver, incluido el diseño del electrolito sólido y los electrodos de tal manera que interactúen uniformemente en toda su superficie, porque cualquier deformación puede crear espacios que limiten la eficiencia de la celda. Además, se ha demostrado que la estabilidad del material es un problema, ya que la fragilidad del electrolito provoca fracturas microscópicas que limitan el rendimiento de la celda.
Blue Solutions, filial de la francesa Bolloré, ha ganado un contrato para suministrar sus células de estado sólido para el autobús urbano articulado eCitaro G de Daimler, el primer acuerdo de suministro comercial registrado para esta tecnología. Sin embargo, el paquete de estado sólido opcional debe calentarse deliberadamente a una temperatura de funcionamiento relativamente alta, entre 50 °C y 80 °C, lo que reduce parte del alcance en el proceso y lo hace inadecuado para su uso en vehículos ligeros con sus patrones de uso impredecibles.
Pilas de combustible (hidrógeno): una apuesta a largo plazo
Los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) generan energía a bordo oxidando combustible (normalmente hidrógeno) a través de una membrana de pila de combustible, siendo la única emisión agua. Esta energía puede enviarse directamente al motor eléctrico o almacenarse en una batería separada para su uso posterior. Los FCEV se pueden "repostar" rápidamente de forma similar a los vehículos de combustión, rellenando el tanque con hidrógeno, eliminando el largo período de recarga que requieren los BEV. El impulso hacia el hidrógeno también está impulsado en parte por su papel potencial como parte de una economía energética circular. Aquí se utiliza energía renovable eólica o hidroeléctrica para extraer hidrógeno del agua de mar. Luego, el hidrógeno actúa como almacén de la energía de menor actividad generada por esas fuentes.
Si bien los FCEV tienen muchos beneficios potenciales, es necesario perfeccionar la tecnología antes de que pueda competir con los BEV. El coste de generar hidrógeno es actualmente superior al coste de producir gasolina, lo que encarece las recargas. Además, aún no se ha construido la infraestructura necesaria para soportar los FCEV, mientras que las redes de recarga de vehículos eléctricos ya están creciendo rápidamente.
Los FCEV pueden ser de gran valor para vehículos pesados y comerciales. Las baterías son pesadas, por lo que no son adecuadas para camiones de largo alcance porque el peso de las baterías necesarias consumiría demasiada capacidad de carga potencial. Las rutas predecibles que toman los camiones de largo alcance también requieren menos estaciones de servicio de hidrógeno para funcionar de manera efectiva.
En esencia, los FCEV son vistos en la industria como una probable dirección de viaje para el transporte a largo plazo, y sus aplicaciones probablemente inicialmente en vehículos comerciales pesados junto con redes de estaciones de carga de circuito cerrado.
Fuente de Solo coche
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