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¿Cuál es la química más adecuada para electrificar tu vehículo? Descubramos los diferentes tipos de pilas

¿Cuál es la química óptima para vehículos? Diferentes tipos de pilas

19 de abril de 2023

A menudo surge la duda sobre la mejor química para electrificar vehículos. Hay diferentes tipos de pilas o baterías, y conviene valorar sus ventajas e inconvenientes para tomar una decisión informada.

En primer lugar, tenemos las baterías de plomo-ácido. Son económicas, pero no muy duraderas y no ofrecen un rendimiento muy alto. Además, son bastante pesadas. Otra opción son las baterías de níquel-metal hidruro, que son más eficientes que las de plomo-ácido y no son tan pesadas. Sin embargo, son un poco más caras.

Por último, dentro de los tipos de pilas, tenemos las baterías de iones de litio, que son las más avanzadas y populares actualmente. Son ligeras, duraderas y ofrecen una gran cantidad de energía. Además, aunque suponen un gran desembolso, ofrecen un excelente retorno de la inversión, además de ser más ecológicas.

Hoy en día, las baterías de litio son muy populares en una amplia gama de aplicaciones. Al principio se utilizaban principalmente en teléfonos móviles, ordenadores y herramientas pequeñas. Sin embargo, actualmente, cada vez más fabricantes de maquinaria industrial y vehículos eléctricos están adoptando esta tecnología para la transición eléctrica de sus flotas. Las baterías de litio se utilizan en diversos sectores, como la logística, manipulación de materiales, construcción, plataformas aéreas, agricultura, vehículos aeroportuarios y náuticos.

Elegir la batería de litio correcta para un vehículo se ha vuelto más complejo que nunca, pero es aún más importante debido a las últimas regulaciones del Parlamento Europeo que han aprobado la prohibición de la venta de vehículos que funcionen con gasolina o diésel a partir del año 2035.

Sin embargo, no todas las baterías de litio son iguales. Hay muchos factores que se deben considerar para encontrar la batería adecuada para una aplicación específica. Hay varios tipos de baterías de litio disponibles en el mercado. Además, aparte del voltaje, están las dimensiones de una batería de litio, y un proceso complejo que incluye investigación y desarrollo, pruebas técnicas y, lo más importante, la elección de la química adecuada para cumplir con las necesidades del vehículo.

Las seis químicas a base de litio más utilizadas y sus características

Las seis químicas a base de litio más utilizadas son:

  • Litio-Cobalto-Óxido (LiCoO2)
  • Litio-Manganeso-Óxido (LiMn2O4)
  • Litio-Ferro-Fosfato (LiFePO4)
  • Níquel-Manganeso-Cobalto (LiNixMnyCozO2)
  • Níquel-Cobalto-Aluminio (LiNiCoAlO2)
  • Litio-Titanato (Li4Ti5O12)

A continuación vamos a profundizar en cada una de ellas, sus ventajas e inconvenientes.

1. Composición y características de las baterías de litio con química LCO: Litio – Cobalto – Óxido  (LiCoO  2)

Las baterías de litio con química LCO (Litio-Cobalto-Óxido) están compuestas por un cátodo de óxido de cobalto y un ánodo de grafito. La relación química del cátodo es LiCoO2 y el electrólito utilizado es una solución de sales de litio en un solvente orgánico. 

Las baterías fabricadas con esta química LCO tienen una alta densidad de energía y una larga vida útil, lo que las hace adecuadas para su uso en dispositivos portátiles como teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Sin embargo, tienen una tendencia a sobrecalentarse y pueden ser inestables si se cargan incorrectamente o se someten a altas temperaturas, lo que puede provocar la fuga de electrolitos y la explosión de la batería. 

Además, el cobalto es un material costoso y escaso, lo que hace que las baterías de litio con química LCO sean más caras que otras opciones.

  • Voltaje nominal: 3,6 V.
  • Densidad gravimétrica: 200 Wh/Kg
  • Densidad energética: 400 Wh/l
  • Ciclos de vida completos: 500 – 1000
  • Tasa de descarga: 1C

2. Composición y características de las baterías de litio con química LMO: Litio – Manganese – Ossido (LiMn 2 O 4 )

Las baterías de litio con química LMO (Litio-Manganeso-Óxido) tienen un cátodo de óxido de manganeso y un ánodo de grafito. La relación química del cátodo es LiMn2O4 y el electrólito utilizado es una solución de sales de litio en un solvente orgánico. La característica principal de las baterías LMO es la capacidad de suministrar mucha energía en poco tiempo

Estas baterías tienen una alta capacidad de descarga, una larga vida útil y son menos propensas a sobrecalentarse que las baterías de litio con química LCO. Además, el manganeso es un material menos costoso y más abundante que el cobalto, lo que hace que las baterías de litio con química LMO sean más económicas y amigables con el medio ambiente. 

Sin embargo, estas baterías tienen una menor densidad de energía que las baterías de litio con química LCO y pueden sufrir de degradación del cátodo a largo plazo si se cargan y descargan a altas corrientes o temperaturas.

Suelen usarse para bicicletas eléctricas , en el mundo de la jardinería , en equipos médicos y herramientas eléctricas, como taladros y destornilladores.

Las baterías LMO tienen una estabilidad térmica superior en comparación con las baterías químicas LCO, pero tienen una capacidad limitada , que es inferior a los sistemas basados ​​en cobalto.

  • Voltaje nominal: 3,7 V.
  • Energía específica: 150 Wh/Kg
  • Densidad energética: 350 Wh/l
  • Ciclos de vida completos: 300 – 700
  • Tasa de descarga: 1C, 10C

3. Composición y características de las baterías de litio con química LFP: Litio – Ferro – Fosfato (LiFePO4)

Las baterías de litio con química LFP (Litio-Ferro-Fosfato) tienen un cátodo compuesto de fosfato de hierro y litio, un ánodo de grafito y un electrolito a base de sales de litio. 

Estas baterías son conocidas por su alta seguridad, ya que no contienen materiales inflamables como el cobalto utilizado en las baterías de litio con química LCO. Además, las baterías de litio con química LFP son más resistentes a altas temperaturas y sobrecargas que otras químicas de baterías de litio.

Esta química se utiliza comúnmente en aplicaciones que requieren alta confiabilidad y seguridad. Hablamos por tanto de un mundo muy amplio, que va desde la automatización a la robótica, pasando por la logística, la construcción, la agricultura, la náutica, los vehículos eléctricos, hasta los vehículos aeroportuarios, las plataformas aéreas y los vehículos especiales.

Las baterías con química LFP son, de hecho, las más seguras y estables que se encuentran actualmente en el mercado. Además, se pueden conseguir en formatos de gran capacidad, tal como lo exigen los sistemas industriales, sin necesidad de conectar muchas celdas pequeñas en paralelo que reducirían su estabilidad comprometiendo la seguridad.

Las baterías con química LFP tienen una duración de vida prolongada y pueden durar más de 3.500 ciclos. Es más, podrían superar los 4.000 ciclos en caso de integrar un sistema BMS adecuado para monitorizarlas. Se estima que en el futuro podrían llegar incluso a los 6.000 ciclos.

Sin embargo, es importante destacar que los ciclos de vida no indican el fin completo de la batería, ya que se considera que la vida útil de una batería de vehículo se agota cuando solo queda el 80% de su capacidad original. A pesar de esto, la batería todavía puede ser útil para otras aplicaciones, como el almacenamiento de energía.

Otra ventaja importante de las baterías LFP es su curva de descarga plana, lo que significa que la tensión de la batería se mantiene constante durante su descarga. Por tanto, se puede observar que la tensión del 100% al 0% es muy similar y esto es un dato fundamental.

Esta característica permite que las máquinas y los vehículos industriales tengan un rendimiento constante y uniforme desde el principio hasta el final de la descarga. Además de su durabilidad y estabilidad, las baterías LFP son conocidas por ser muy seguras, lo que las hace adecuadas para su uso en vehículos y otras aplicaciones industriales.

  • Voltaje nominal: 3,2 V.
  • Densidad gravimétrica: 170 Wh/Kg
  • Densidad energética: 350 Wh/l
  • Ciclos de vida completos: > 4000
  • Tasa de descarga: 1C/3C

La curva plana de la química LFP, que permite un rendimiento constante durante la descarga de la batería, puede dificultar la determinación precisa del estado de carga. Sin embargo, con un buen sistema BMS, esto se puede superar para proporcionar un estado de carga correcto y equilibrar la batería de manera efectiva. 

Por otra parte, una gran ventaja de la química LFP es la ausencia total de cobalto, un material tóxico y perjudicial para el medio ambiente. Además, aunque anteriormente la densidad energética de la química LFP era baja, hoy en día ha aumentado significativamente, lo que ha generado un gran interés en la electrificación de vehículos. De hecho, a la fecha ya se esperan nuevos aumentos en la densidad gravimétrica en los próximos años hasta 220/230 Wh/Kg.

Tesla y otros fabricantes de automóviles están reintroduciendo la química LFP debido a su mayor nivel de seguridad y menor costo en comparación con otras químicas utilizadas en vehículos de alto rendimiento. 

Se espera que la densidad energética siga aumentando en el futuro cercano, lo que hace que la química LFP sea una opción cada vez más atractiva para el almacenamiento de energía y la electrificación de vehículos.

4. Composición y características de las baterías de litio con química NMC: Níquel – Manganeso – Cobalto (LiNixMnyCozO2)

Las baterías de litio con química NMC (Níquel-Manganeso-Cobalto) se componen de tres elementos principales: níquel, manganeso y cobalto, que se utilizan en diferentes proporciones según el tipo de celda. 

En el sector de la automoción, las baterías de litio con química NMC siguen siendo las más comunes y utilizadas. Estas baterías ofrecen una energía específica muy alta, que puede llegar a los 220-240 Wh/kg. Esto es una gran ventaja competitiva para los vehículos, ya que les permite almacenar mucha energía con un peso y volumen reducido, lo que significa que se puede instalar más energía en el vehículo en comparación con otras tecnologías de baterías de litio. 

Hay varios tipos de química NMC:

El número que sigue a la abreviatura NMC indica la proporción de estos elementos utilizados para el cátodo. Por ejemplo, las celdas NMC 811 tienen una alta concentración de níquel y un bajo contenido de manganeso y cobalto, mientras que las celdas NMC 111 tienen una proporción igual de cada elemento.

  • NMC 111 (Níquel 33,3% – Manganeso 33,3% – Cobalto 33,3%)
  • NMC 622 (Níquel 60% – Manganeso 20% – Cobalto 20%)
  • NMC 811 (Níquel 80% – Manganeso 10% – Cobalto 10%)
  • Voltaje nominal: 3,6 V.
  • Densidad gravimétrica: 220 Wh/Kg
  • Densidad energética: 500 Wh/l
  • Ciclos de vida completos: 2.000
  • Tasa de descarga: 2C/3C

La abreviatura NMC se acompaña de tres números que indican la cantidad de elementos utilizados para el cátodo. La última versión, NMC 811, tiene un alto contenido de níquel y un bajo contenido de manganeso y cobalto, lo que resulta en una mayor densidad de energía a un menor costo. Aunque la meta es reducir al mínimo el cobalto en la tecnología NMC, este elemento sigue siendo esencial para la estabilidad del sistema y la durabilidad de la batería. 

No obstante, hay compañías que investigan nuevas tecnologías innovadoras, como Svolt, que ya ha desarrollado la primera celda NMX completamente libre de cobalto.

5. Composición y características de las baterías de litio con NCA: Níquel – Cobalto – Aluminio (LiNiCoAIO2)

Las baterías de litio con química NCA utilizan como cátodo una mezcla de níquel, cobalto y aluminio, representada por la fórmula química LiNiCoAIO2. Esta mezcla proporciona una alta densidad de energía y una larga vida útil a las baterías. El níquel proporciona estabilidad estructural, mientras que el cobalto y el aluminio aumentan la densidad de energía.

Además de los NMC, las baterías con química NCA también se utilizan en el sector de la automoción

Las baterías de litio con química NCA tienen una alta densidad de energía que puede alcanzar los 250-300 Wh/kg, aunque tienen un nivel de seguridad ligeramente inferior al de las baterías NMC. 

Están compuestas principalmente de níquel, con un bajo contenido de cobalto y aluminio, lo que las hace similares en estructura a las celdas NMC 811. Para equilibrar la densidad de energía con la seguridad y la estabilidad, las baterías NCA se mezclan a menudo con productos químicos NMC.

Mezclando ambos productos químicos, se puede obtener una batería con una densidad de energía razonablemente alta y un nivel adecuado de seguridad y estabilidad.

  • Tensión nominal 3,6 V
  • Densidad gravimétrica: 250 Wh/Kg
  • Densidad energética: 550 Wh/l
  • Ciclos de vida completos: 1.000
  • Tasa de descarga: 2C/3C

6. Composición y características de las baterías de litio con química LTO: Litio titanato (Li4Ti5O12)

Se trata de una tecnología de baterías que no es muy conocida, pero que parece tener un gran potencial en términos de vida útil, debido a su baja degradación gracias a las bajas tensiones internas y la ausencia de estrés mecánico. Esto la hace ideal para su uso en máquinas y vehículos con usos muy intensos. 

Sin embargo, tiene dos debilidades importantes: 

  • Los bajos niveles de densidad energética (177Wh/l) y gravimétricos (60-70 Wh/Kg) así como una tensión nominal más baja, 2,4V o 2,8V: esto hace que se necesiten más elementos en serie para poder conseguir el voltaje de batería deseado.
  • Su costo actualmente es muy alto , lo que se refleja en un bajo número de productores a nivel mundial de celdas LTO, esto probablemente debido a los bajos volúmenes que actualmente requiere el mercado.

Una vez dicho esto, se trata de un tipo de química para electrificar vehículos con algunas ventajas. Además de su larga vida útil, la tecnología LTO también goza de una gran capacidad para funcionar en un amplio rango de temperaturas. Además, permite cargarse y descargarse rápidamente con una alta tasa de corriente en comparación con su capacidad nominal (C-Rate alto). 

Esta tecnología es especialmente adecuada para aplicaciones que requieren un uso intensivo y continuo, como las máquinas AGV (vehículos guiados automatizados). Por ejemplo, una flota de carretillas elevadoras autónomas que funciona las 24 horas del día, 7 días a la semana, se beneficiaría del uso de baterías LTO, que pueden cargarse rápidamente para reducir el tiempo de inactividad y aumentar la eficiencia de la planta.

  • Tensión nominal 2,4 V
  • Densidad gravimétrica: 70 Wh/Kg
  • Densidad energética: 177 Wh/l
  • Ciclos de vida completos: 15.000 – 20.000
  • Tasa de descarga: 4C/8C

De la teoría a la práctica: utilizando la química de litio adecuada para cada aplicación

Cada uno de los 6 tipos principales de productos químicos a base de litio que se usan actualmente en la electrificación son útiles y de alto rendimiento, pero no debemos pensar que compiten entre sí. Por el contrario, cada química de litio tiene sus ventajas y se desempeña mejor en diferentes áreas de aplicación.

gráfico de diferencia química de litio

Este diagrama es muy ilustrativo para poder ver las diferencias entre cada tipo de química de batería. 

  • La energía específica o densidad gravimétrica mide cuánta energía puede almacenar la batería en relación a su peso.
  • La seguridad se refiere a cuán segura es la batería en términos de estabilidad térmica de sus componentes.
  • La C-Tasa indica la capacidad de la batería para cargar y descargar energía, lo que se relaciona con su capacidad para generar energía.
  • El ciclo de vida se refiere al número de veces que la batería puede ser descargada y recargada antes de que su capacidad se reduzca a un 80% de la capacidad residual.
  • El costo se refiere al precio de la batería y es un factor importante a considerar en la elección de la batería adecuada para una aplicación determinada.

¿Cómo elegir el tipo de química de litio más adecuado?

Llegados a este punto, tratemos de explicar en detalle por qué elegir un producto u otro según cada caso y aplicación.

Baterías NMC y NCA para el sector de la automoción

Las baterías NMC y NCA se utilizan ampliamente en el sector de la automoción debido a su alta densidad de energía, lo que permite proporcionar una gran cantidad de energía en un espacio reducido. 

En la movilidad eléctrica, la densidad de energía, la densidad gravimétrica y la potencia específica son elementos clave, y la velocidad de recarga y las altas potencias de aceleración son consideradas como puntos focales, especialmente en los modelos premium. 

En este sector, otras características como los ciclos de vida prolongados no son fundamentales, ya que no son necesarios. En el caso de un automóvil, no es probable que haga muchos ciclos en un solo día, y generalmente solo se utiliza el 20-30% de la carga en un día. 

Por lo tanto, los ciclos de vida de la batería con química NMC no superan los 2000, y en la química NCA, los ciclos de vida llegan a 1000.

Baterías LFP y LTO para el sector industrial

En diferentes sectores, como la agricultura, la industria y la electrificación de vehículos especiales, es más adecuado utilizar baterías con químicas como LFP y LTO en lugar de NMC y NCA. Esto se debe a que en estos sectores, la seguridad, fiabilidad y vida útil son más importantes que la densidad de energía y el rendimiento.

En la industria, por ejemplo, el espacio no es un problema y la seguridad es una prioridad, especialmente en aplicaciones muy cíclicas que someten a estrés a la batería. 

En estos casos, es preferible tener una batería que ocupe un poco más de espacio, pero que garantice una seguridad óptima y tenga una vida útil más larga. Además, en aplicaciones estacionarias, la densidad de energía no es tan importante como el costo y los ciclos de vida de la batería. 

Baterías LCO y LMO para pequeñas aplicaciones móviles

Si necesitas una batería para herramientas y aplicaciones móviles que sea muy pequeña, entonces lo más importante es que sea liviana para no afectar el rendimiento general de la aplicación debido al peso excesivo. En este caso, las químicas de batería como LCO y LMO son ideales ya que ofrecen una alta densidad de energía en un paquete pequeño y liviano. 

Aunque estas químicas tienen una vida útil más corta y pueden ser más riesgosas en términos de seguridad debido a su tamaño pequeño, se acepta esto para asegurarse de que el producto sea competitivo en el mercado.

El BMS optimiza las características de la química elegida

Toda esta información nos muestra que los diagramas pueden ser útiles para entender las características generales de cada química de batería, pero hay que recordar que los datos son indicativos y que la tecnología y la innovación están en constante evolución. 

Por lo tanto, es importante mantenerse actualizado y confiar en fabricantes experimentados para diseñar baterías que se adapten a las necesidades específicas de la aplicación.

Además, la química no es el único factor que afecta al rendimiento de la batería. El Sistema de Gestión de Batería (BMS) también es importante, ya que es capaz de aprovechar al máximo las características de la química elegida y garantizar un rendimiento constante a lo largo del tiempo. 

Un BMS, o Sistema de Gestión de Batería en español, es un conjunto de dispositivos electrónicos y software que se encarga de gestionar y supervisar el funcionamiento de una batería recargable. El BMS controla y monitorea varios parámetros de la batería, como la temperatura, el voltaje y la corriente, y protege la batería de posibles situaciones de sobrecarga, sobredescarga, sobrecalentamiento, cortocircuitos y otros eventos que podrían dañar la batería o reducir su vida útil. 

Este tipo de sistemas también puede equilibrar la carga de las celdas de la batería para asegurarse de que todas ellas estén trabajando juntas de manera óptima. 

Para terminar, un BMS inteligente puede analizar los datos de la batería y ajustar su comportamiento para maximizar el rendimiento y la eficiencia en función de las necesidades específicas de la aplicación.

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