Silicio, grafito o litio: ¿cómo serán las baterías de los coches del futuro?
La seguridad, el peso y la sostenibilidad juegan un papel fundamental en las investigaciones que están haciendo las principales marcas para ditar a sus vehículos de baterías de última generación
Puede que hasta que los coches 100% eléctricos sean mayoritarios en nuestras ciudades y carreteras todavía queden unos cuantos años. Pero la electrificación se ha ido introduciendo lenta y sigilosamente de modo que ya no resulta extraño plantearse como opción de compra un vehículo Mild Hybrid, híbrido o enchufable. Alternativas todas ellas que son el fruto de muchos años de investigación por parte de las principales marcas.
Los sistemas de baterías son unos de los componentes más críticos de los vehículos eléctricos. Además de obtener la mayor densidad de energía posible, aspectos como la seguridad, el peso y la sostenibilidad juegan un papel fundamental. Materiales co o el silicio, el grafito o el litio están llamados a jugar un papel fundamental para conseguir baterías más ligeras y con cada ve mayor capacidad de almacenaje de energía, para así avanzar hacia la transición eléctrica de la automoción.
El Proesor Andreas Hintennach, director de investigación de celdas de batería en Daimler , considera que el sistema de baterías es un elemento clave de la movilidad eléctrica. Los requisitos que se buscan en los centros de investigación son complejos. Esto se debe a que los Mild-Hybrid (híbridos suaves) de 48 voltios, los híbridos enchufables y los puramente eléctricos requieren diferentes enfoques en su desarrollo.
Según Hintennach, la tecnología de baterías es un elemento clave de la movilidad eléctrica «y no como producto en sí mismo, sino una parte integral de la arquitectura del vehículo». Así, afirma que en los centros de investigación de Mercedes-Benz «cubrimos todas las etapas, desde la investigación fundamental hasta la madurez de la producción. Nuestras actividades incluyen la optimización continua de la generación actual de sistemas de baterías de iones de litio, el desarrollo futuro de celdas disponibles en el mercado mundial y la investigación de sistemas de baterías de próxima generación».
La investigación también aborda otros aspectos como el sistema de gestión de la batería, que es un computador complejo «en el que siempre puedes mejorar». La gestión térmica también es un tema importante. Es responsable tanto de la vida útil como del rendimiento de la batería. Debe comprenderse a fondo el mecanismo de las tecnologías para poder tomar las decisiones correctas.
El profesor pone como ejemplo del enfoque el modelo M ercedes-Benz EQC , que ya se está introduciendo en el mercado europeo y par ael que «estamos preparando el camino para las próximas generaciones de potentes vehículos eléctricos». Las baterías de iones de litio son el tipo más común utilizado en la electrónica y los vehículos eléctricos en la actualidad.
En los próximos años, esta tecnología continuará marcando el camino, pero hay más por venir. «Constantemente innovamos y trabajamos en alternativas más allá del ion-litio, no solo en relación con la densidad de energía y el tiempo de carga , sino también con la sostenibilidad. Por ejemplo, hemos acordado una colaboración para la sostenibilidad con Farasis Energy (Ganzhou) Co., Ltd. para adoptar un enfoque holístico a lo largo de toda la cadena de valor: parte de las celdas de batería de la próxima generación de vehículos de nuestra marca de productos y tecnología EQ se producirá con el empleo de electricidad que provenga en su totalidad de energías renovables. Nuestras competencias para la evaluación tecnológica de materiales y celdas, así como las actividades de investigación y desarrollo, están constantemente en expansión».
Los vehículos del futuro, tal y como se está comprobando a través de la demanda, exige baterías cada vez más potentes y con mayor autonomía, con el objetivpo de que el coche eléctrico nosea simplemente un vehículo urbano, y que al mismo tiempo se consiga realizar trayectos de larga distancia de manera eficiente.
Pero hay más, y por ello Andreas Hintennach hace referencia a la seguridad como un factor decisivo. «Los cambios relacionados con el material podrían permitir obtener una mayor capacidad, pero comprometiendo la seguridad. Para nosotros, esto definitivamente está fuera de toda consideración. Un Mercedes-Benz tiene que ser el punto de referencia cuando se trata de seguridad y esto también se aplica a su paquete de baterías».
También es cierto que en numerosas ocasiones se ha cuestionado la movilidad eléctrica desde el punto de la eficiencia y la sostenibilidad, y dado que la fabricación de vehículos, incluidos los eléctricos, requiere una gran cantidad de materias primas. En este sentido Hintennach defiende que «uno de nuestros enfoques de desarrollo es minimizar la necesidad de recursos naturales , pero también aumentar la transparencia. Durante el desarrollo, creamos un concepto para cada modelo de vehículo en el que todos los componentes y materiales se analizan para determinar su idoneidad en el contexto de una economía circular. Con respecto a las baterías, este concepto ya se utiliza para investigaciones fundamentales en las que los materiales preciosos pueden sustituirse, minimizarse o utilizarse de manera más eficiente. Además, la capacidad de reciclaje se tiene en cuenta desde el principio. Por lo tanto, la producción de baterías se convierte en parte de un enfoque holístico: un circuito cerrado; una llamada economía circular».
El investigador defiende que la producción del motor de combustión se ha mejorado constantemente en los últimos 133 años. La batería y la pila de combustible, por otro lado, actualmente inician su vida útil con más emisiones debido al mayor requerimiento de energía. Sin embargo, en términos de funcionamiento , ambas son mucho más eficientes, según sostiene Andreas Hintennach. «Incluso si no los cargamos con electricidad con una huella neutra en CO₂, los vehículos que funcionan con baterías generan alrededor de un 40 % menos de emisiones durante su ciclo de vida que los vehículos con motores de gasolina, y un 30 % menos que los vehículos que funcionan con diésel».
Además calcula que en ocho o diez años habrá un número significativo de baterías de vehículos disponibles para reciclar y «entonces se reciclarán cobalto, níquel, cobre y más tarde también el silicio. Ya estamos muy bien preparados y los procesos están en su lugar, al igual que las oportunidades para devolver las materias primas secundarias al ciclo de producción. Actualmente hacemos esto con nuestras baterías de prueba».
Con qué se hace una batería
Con la tecnología de iones de litio, la estructura de celdas siempre es similar, independientemente de si se trata de un teléfono móvil o de una batería de un coche eléctrico. Siempre hay dos láminas de metal, como el cobre y el aluminio . Entre las láminas de metal están los dos polos con el cátodo y el ánodo, entre los cuales tiene lugar la reacción eléctrica. Para la reacción se requiere un metal reactivo como el litio. El mayor factor de coste es la composición del cátodo, es decir, el polo positivo de la batería. Se compone de una mezcla de níquel, manganeso y cobalto. El ánodo está hecho de polvo de grafito, litio, electrolitos y un separador.
Andreas Hintennach asegura que «el silicio reemplazará en gran medida al polvo de grafito en el futuro. Esto nos permitirá aumentar la densidad de energía de las baterías en aproximadamente un 20 o un 25 %. El silicio nos permite usar materiales en el lado del cátodo que no son compatibles con el grafito que se usa actualmente. Imagine dos vasos». Si desea verter agua de uno a otro, el segundo debe tener al menos el mismo tamaño para que no se desborde. Del mismo modo, el ánodo y el cátodo deberían armonizarse, «lo que llamamos equilibrio. El silicio también se usa para mejorar la velocidad de carga».
Otra estrategia es reemplazar el cobalto con otros materiales menos críticos, y en este sentido avanzan las investigaciones de Daimler. «Lo estamos investigando ya que con la generación actual de celdas de batería ya hemos podido reducir la proporción de cobalto en el material activo (níquel, manganeso, cobalto y litio) de alrededor de un tercio a menos del 20 %. En el laboratorio actualmente estamos trabajando con menos del 10 % y esta proporción se reducirá aún más en el futuro. Desde una perspectiva química, hay muchos argumentos para abstenerse por completo del cobalto. Cuanto más se reduce la mezcla de materiales, más fácil y más eficiente es reciclar. La energía requerida para la producción química también se reduce porque la mezcla es más fácil de producir».
Otra alternativa es la batería de litio/azufre. El azufre es un producto de desecho industrial casi sin coste, muy puro y puede reciclarse fácilmente. Presenta desafíos significativos con respecto a la densidad de energía, pero también tiene un eco-equilibrio inigualable. Sin embargo, pueden pasar años hasta que esta tecnología esté disponible para turismos.
Alternativas a la batería de iones de litio
En cuanto a las posibles alternativas a las baterías actuales, Andreas Hintennach asegura que «incluso hay tecnologías que son superiores a la batería de iones de litio. Entre ellas se encuentra la batería de estado sólido , que utilizaremos en nuestro autobús urbano eCitaro de Mercedes-Benz en la segunda mitad de la década de 2020. La tecnología tiene un ciclo de vida muy largo y tampoco incluye cobalto, níquel o manganeso. Sin embargo, su densidad de energía es menor, lo que la hace relativamente grande y lenta de cargar . Por eso es bueno para vehículos comerciales, pero no para turismos. La batería de iones de litio estará con nosotros durante los próximos años».
El litio-azufre es una posible alternativa. Reemplazar el níquel y el cobalto de las baterías actuales con azufre aumentaría significativamente la sostenibilidad. La densidad de energía también tiene mucho potencial, pero la vida útil aún no es lo suficientemente larga y tomará un tiempo hasta que haya un avance en esta área. «En las baterías de litio-aire, en realidad solo hay litio», asegura. El resto, el oxígeno, simplemente proviene del aire . «Químicamente es un concepto similar al que tiene la pila de combustible, donde estamos usando hidrógeno. La densidad de energía sería sobresaliente, pero esta tecnología todavía está muy lejos de convertirse en una realidad».
Con el VISION AVTR Mercedes-Benz presenta una visión sostenible de la movilidad libre de emisiones, también en lo que respecta a tecnologías de conducción. «Por primera vez, su revolucionaria tecnología de baterías consiste en una química de celdas orgánicas basada en grafeno y, por lo tanto, no utiliza materiales raros, tóxicos o caros, como los metales». Esto hace que la movilidad eléctrica sea independiente de los recursos fósiles . «Una revolución absoluta es la posibilidad de reciclar el 100% a través del compostaje debido a la materialidad, como un excelente ejemplo de una futura economía circular en el sector de las materias primas», asegura Andreas Hintennach. Además de una densidad de energía exponencialmente alta «la tecnología también impresiona» con su excepcional capacidad de carga rápida. «Las baterías orgánicas son actualmente parte de nuestra investigación fundamental. Todavía se necesitarán varios años hasta que pueda instalarse en los vehículos Mercedes-Benz, ¡pero el potencial está ahí!».
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