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batería de vehículo eléctrico

Vista en sección transversal del Nissan Leaf que muestra parte de la batería en 2009. Una batería para vehículos eléctricos es una batería recargable que se utiliza para aliment...

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Vista en sección transversal del Nissan Leaf que muestra parte de la batería en 2009.

Una batería para vehículos eléctricos es una batería recargable que se utiliza para alimentar los motores eléctricos de un vehículo eléctrico de batería (BEV, por sus siglas en inglés) o un vehículo eléctrico híbrido (HEV, por sus siglas en inglés).

Suelen ser baterías de iones de litio diseñadas para una alta relación potencia-peso y densidad energética . En comparación con los combustibles líquidos, la mayoría de las tecnologías de baterías actuales tienen una energía específica mucho menor . Esto aumenta el peso de los vehículos o reduce su autonomía.

Las baterías Li-NMC que utilizan óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto son las más comunes en los vehículos eléctricos. La batería de fosfato de hierro y litio (LFP) está en auge, alcanzando una cuota de mercado global del 41 % en capacidad para vehículos eléctricos de batería en 2023. [ 1 ] : 85 Las baterías LFP son más pesadas, pero más baratas y más sostenibles. Sin embargo, algunos fabricantes de automóviles comerciales están empezando a utilizar baterías de iones de sodio, evitando por completo la necesidad de minerales críticos. [ 2 ]

La batería representa una parte significativa del costo y el impacto ambiental de un vehículo eléctrico. El crecimiento de la industria ha generado interés en asegurar cadenas de suministro de baterías éticas , lo que se ha convertido en un importante tema geopolítico. La reducción del uso de cobalto extraído , que también se requiere en el refinado de combustibles fósiles , ha sido un objetivo principal de la investigación. Varias nuevas químicas compiten para reemplazar a la Li-NMC (véase batería de estado sólido ) con un rendimiento superior a 800 Wh/kg en pruebas de laboratorio.

En 2019, se dijo que el costo de las baterías de vehículos eléctricos había caído un 87% por kilovatio-hora. [ 3 ]

La demanda de baterías de vehículos eléctricos (EVB) superó los 750 GWh en 2023. [ 1 ] Las EVB tienen capacidades mucho mayores que las baterías automotrices utilizadas para el arranque, la iluminación y el encendido (SLI) en los automóviles de combustión. La capacidad de la batería de los modelos de vehículos eléctricos disponibles alcanzó de 21 a 123  kWh en 2023, con un promedio de 80  kWh. [ 4 ] [ 5 ]

Tipos de baterías para vehículos eléctricos

Un hombre corta una batería de iones de litio para usarla en un vehículo eléctrico.

A partir de 2024, la batería de iones de litio (LIB) con las variantes Li-NMC, LFP y Li-NCA domina el mercado de BEV. La capacidad de producción global combinada en 2023 alcanzó casi 2000 GWh, de los cuales 772  GWh se utilizaron para EV en 2023. La mayor parte de la producción se basa en China , donde las capacidades aumentaron un 45% ese año. [ 1 ] : 17 Con su alta densidad de energía y larga vida útil, las baterías de iones de litio se han convertido en el tipo de batería líder para su uso en EV. Inicialmente se desarrollaron y comercializaron para su uso en computadoras portátiles y electrónica de consumo. Los EV recientes están utilizando nuevas variaciones en la química de iones de litio que sacrifican energía específica y potencia específica para proporcionar resistencia al fuego, respeto al medio ambiente, carga rápida y vidas útiles más largas. Se ha demostrado que estas variantes tienen una vida útil mucho más larga. Por ejemplo, las celdas de iones de litio que contienen nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) muestran una mayor resistencia mecánica, suprimiendo la degradación y dando como resultado una vida útil de la batería más larga. [ 6 ] [ 7 ]

Litio-NMC

Los óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto ofrecen un alto rendimiento y se han convertido en el estándar mundial en la producción de BEV desde la década de 2010. Por otro lado, la explotación de los minerales necesarios causa problemas ambientales. La desventaja de las baterías NMC tradicionales incluye sensibilidad a la temperatura, rendimiento de potencia a bajas temperaturas y degradación del rendimiento con el tiempo. [ 25 ] Debido a la volatilidad de los electrolitos orgánicos, la presencia de óxidos metálicos altamente oxidados y la inestabilidad térmica de la capa SEI del ánodo , las baterías de iones de litio tradicionales presentan un riesgo de seguridad de incendio si se perforan o se cargan incorrectamente. Las primeras celdas no aceptaban ni suministraban carga cuando eran extremadamente frías. En algunos climas se pueden usar calentadores para calentarlas.

Fosfato de hierro y litio (LFP)

La batería de fosfato de hierro y litio tiene un alcance menor, pero es más barata, segura y sostenible que la batería NMC. [ 26 ] No requiere los minerales críticos manganeso y cobalto . Desde 2023, LFP se ha convertido en la tecnología líder en China, mientras que la cuota de mercado en Europa y América del Norte sigue siendo inferior al 10%. [ 1 ] : 86 LFP es el tipo dominante en el almacenamiento de energía en la red .

titanato de litio (LTO)

Las baterías de titanato de litio o de óxido de litio-titanio (LTO) son conocidas por su alto perfil de seguridad, con un riesgo reducido de fuga térmica y un funcionamiento eficaz en un amplio rango de temperaturas. [ 27 ] Las baterías LTO tienen una impresionante vida útil, que a menudo supera los 10 000 ciclos de carga y descarga. [ 28 ] También tienen capacidades de carga rápida debido a su alta aceptación de carga. [ 29 ] Sin embargo, tienen una menor densidad de energía en comparación con otras baterías de iones de litio . [ 30 ]

ión de sodio

La batería de iones de sodio evita por completo los materiales críticos. [ 31 ] Debido a la alta disponibilidad de sodio , que forma parte del agua salada, las proyecciones de costos son bajas. A principios de 2024, varios fabricantes chinos comenzaron con la entrega de sus primeros modelos. [ 2 ] Los analistas vieron un alto potencial para este tipo, especialmente para el uso en vehículos eléctricos pequeños, bicicletas y triciclos; [ 32 ] así como a principios de 2024, JAC Yiwe (modelo Sehol E10X ) y JMEV ( EV3 Youth Edition) comenzaron la producción de vehículos eléctricos más pequeños y económicos que utilizan estas baterías. [ 33 ] En 2026, se instalaron en automóviles de producción en masa, como el Changan Nevo A06 . [ 34 ]

Tipos futuros

Existen varios tipos en desarrollo.

Tipos heredados

Plomo-ácido

En el siglo XX, la mayoría de los vehículos eléctricos utilizaban baterías de plomo-ácido inundadas debido a su tecnología madura, alta disponibilidad y bajo costo. Las baterías de plomo-ácido impulsaron los primeros vehículos eléctricos modernos, como las versiones originales de 1996 del EV1 . Existen dos tipos principales de baterías de plomo-ácido: las baterías de arranque de motores de automóviles y las baterías de ciclo profundo , que proporcionan electricidad continua para el funcionamiento de vehículos eléctricos como carretillas elevadoras o carritos de golf. [ 35 ] Las baterías de ciclo profundo también se utilizan como baterías auxiliares en vehículos recreativos, pero requieren una carga diferente y en varias etapas. Descargarlas por debajo del 50 % puede acortar su vida útil. [ 36 ] Las baterías inundadas requieren la inspección de los niveles de electrolito y el reemplazo ocasional del agua, que se evapora durante el ciclo de carga normal. Los vehículos eléctricos con baterías de plomo-ácido pueden recorrer hasta 130 km (81 millas) por carga.  

Hidruro de níquel-metal (NiMH)

Módulo de batería NiMH GM Ovonic

Las baterías de níquel-metal hidruro se consideran una tecnología madura . [ 37 ] Si bien son menos eficientes (60-70%) en la carga y descarga que incluso las de plomo-ácido, tienen una energía específica más alta de 30-80  W·h/kg. Cuando se usan correctamente, las baterías de níquel-metal hidruro pueden tener vidas útiles excepcionalmente largas, como se ha demostrado en su uso en automóviles híbridos y en los Toyota RAV4  EV de primera generación de NiMH que aún funcionan bien después de 100,000 millas (160,000 km) y más de una década de servicio. Las desventajas incluyen ciclos de carga delicados y un rendimiento deficiente en climas por debajo de -20 °C. [ 38 ] GM Ovonic produjo la batería de NiMH utilizada en la segunda generación del EV-1. [ 39 ] Los prototipos de NiMH-EV ofrecían hasta 200 km (120 mi) de autonomía.    

Cebra

La batería de cloruro de sodio y níquel o «Zebra» se utilizó en los primeros vehículos eléctricos entre 1997 y 2012. Utiliza una sal fundida de cloroaluminato de sodio (NaAlCl₄ ) como electrolito. Tiene una energía específica de 120  W·h/kg. Dado que la batería debe calentarse para su uso, el clima frío no afecta significativamente su funcionamiento, salvo por el aumento de los costos de calefacción. Las baterías Zebra pueden durar varios miles de ciclos de carga y no son tóxicas. Entre las desventajas de la batería Zebra se incluyen una baja potencia específica (<300  W/kg) y la necesidad de calentar el electrolito a unos 270 °C (518 °F) , lo que desperdicia energía, presenta dificultades para el almacenamiento de carga a largo plazo y es potencialmente peligroso. [ 40 ]  

Otros tipos heredados

Otros tipos de baterías recargables utilizadas en los primeros vehículos eléctricos incluyen:

Arquitectura e integración de baterías

Serie CTx:

  • De celda a módulo (CTM): las celdas de la batería se colocan en módulos y luego en un paquete de baterías.
  • Cell to Pack (CTP): celdas de batería en un paquete de baterías sin módulos.
  • Cell to Chassis (CTC): celdas de batería en el bastidor o chasis ; las baterías pueden usarse como parte de la integridad estructural o para aumentar la resistencia estructural.
  • Cell to Body (CTB): celdas de batería en la carrocería del vehículo [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

Cadena de suministro

Distribución geográfica de la cadena de suministro global de baterías [ 8 ] : 58

Ciclo de vida de las baterías de litio para vehículos eléctricos

Durante la primera etapa, los materiales [ 45 ] se extraen en diferentes partes del mundo, incluyendo Australia , [ 46 ] Rusia , [ 47 ] Nueva Caledonia e Indonesia . [ 48 ] [ 49 ] Todos los pasos siguientes están actualmente dominados por China . [ 50 ] [ 51 ] Después de que los materiales son refinados por las fábricas de preprocesamiento, las empresas fabricantes de baterías los compran, fabrican baterías y las ensamblan en paquetes. Las empresas fabricantes de automóviles las compran y las instalan en los automóviles. Para abordar el impacto ambiental de este proceso, la cadena de suministro se está enfocando cada vez más en la sostenibilidad, con esfuerzos para reducir la dependencia de los minerales de tierras raras y mejorar el reciclaje. [ 52 ]

Fabricación

Proceso de fabricación de baterías para vehículos eléctricos

El proceso de fabricación de baterías para vehículos eléctricos (VE) consta principalmente de tres etapas: fabricación de materiales, fabricación de celdas e integración, como se muestra en el gráfico del proceso de fabricación de baterías para VE en gris, verde y naranja, respectivamente. Este proceso no incluye la fabricación de los componentes de la celda, como las carcasas y los colectores de corriente. Durante la fabricación de materiales, primero se mezclan el material activo, los aditivos de conductividad, el aglutinante polimérico y el disolvente. Posteriormente, se recubren los colectores de corriente, preparándolos para el proceso de secado. En esta etapa, los métodos de fabricación de los materiales activos dependen del electrodo y de la composición química.

Los cátodos suelen utilizar óxidos de metales de transición , como óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto (Li-NMC), o bien fosfatos de litio metálico, como fosfatos de litio y hierro (LFP). El material más común para los ánodos es el grafito. Sin embargo, recientemente han surgido numerosas empresas que fabrican ánodos mixtos de silicio ( Sila Nanotech , ProLogium ) y ánodos de litio metálico ( Cuberg , Solid Power ).

En general, para la producción de materiales activos, existen tres pasos: preparación de materiales, procesamiento de materiales y refinamiento. Schmuch et al. analizaron la fabricación de materiales con mayor detalle. [ 53 ]

En la etapa de fabricación de celdas, el electrodo preparado se procesa para darle la forma deseada para su empaquetado en formato cilíndrico, rectangular o tipo bolsa. Luego, tras llenar los electrolitos y sellar las celdas, estas se someten a ciclos de carga y descarga para formar la capa SEI que protege el ánodo. Finalmente, estas baterías se ensamblan en paquetes listos para su integración en vehículos.

Reutilizar y dar un nuevo uso

Ejemplos de proyectos de almacenamiento que utilizan baterías de vehículos eléctricos de segunda vida. Adaptado de Awan [ 54 ].

Para los vehículos eléctricos (VE), el final de la vida útil real estará definido por muchos factores que variarán entre vehículos, incluyendo la disposición del propietario a seguir conduciendo el VE a medida que disminuye su autonomía, el estado de otros componentes del vehículo y si el vehículo está involucrado o no en un accidente. Sin embargo, en la práctica, el final de la vida útil se define comúnmente en los estudios de reutilización como cuando la capacidad de una batería se degrada al 80% de su capacidad inicial. [ 55 ] Esto probablemente proviene de la definición del American Battery Consortium de EE. UU.: "Se aclara que el final de la vida útil ocurre cuando la capacidad neta entregada de DST o la capacidad de potencia máxima al 80% de DOD es menor que el 80% de la nominal". [ 56 ] Uno de los métodos de gestión de residuos es reutilizar el paquete. Al reutilizar el paquete para almacenamiento estacionario, se puede extraer más valor del paquete de baterías al tiempo que se reduce el impacto del ciclo de vida por kWh.

La degradación desigual e indeseada de la batería ocurre durante el funcionamiento de los vehículos eléctricos, dependiendo de la temperatura y los patrones de carga/descarga. Cada celda de la batería puede degradarse de manera diferente durante el funcionamiento. Actualmente, la información sobre el estado de salud (SOH) de un sistema de gestión de baterías (BMS) se puede extraer a nivel de paquete, pero no a nivel de celda. Los ingenieros pueden mitigar la degradación mediante el diseño de un sistema de gestión térmica de próxima generación. La espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) se puede utilizar para garantizar la calidad del paquete de baterías. [ 54 ] [ 57 ]

El desmontaje de módulos y celdas es costoso y requiere mucho tiempo. El módulo debe descargarse por completo. Luego, el paquete debe desmontarse y reconfigurarse para satisfacer los requisitos de potencia y energía de la aplicación de segunda vida. Una empresa de reacondicionamiento puede vender o reutilizar la energía descargada del módulo para reducir el costo de este proceso. Se están utilizando robots para aumentar la seguridad del proceso de desmontaje. [ 54 ] [ 58 ]

La tecnología de baterías carece de transparencia y estándares. Dado que el desarrollo de baterías es fundamental para los vehículos eléctricos, resulta difícil para el fabricante indicar la composición química exacta del cátodo, el ánodo y los electrolitos en el paquete. Además, la capacidad y el diseño de las celdas y los paquetes cambian anualmente. La empresa de reacondicionamiento debe colaborar estrechamente con el fabricante para obtener esta información actualizada. Por otro lado, el gobierno puede establecer estándares de etiquetado. [ 54 ]

Por último, los costos de las baterías han disminuido más rápido de lo previsto. La unidad reacondicionada puede resultar menos atractiva que las baterías nuevas para el mercado. [ 54 ]

No obstante, se han logrado varios éxitos en la aplicación de segunda vida, como lo demuestran los ejemplos de proyectos de almacenamiento que utilizan baterías de vehículos eléctricos de segunda vida. Estas se emplean en aplicaciones de almacenamiento estacionario menos exigentes, como la reducción de picos de demanda o el almacenamiento adicional para fuentes de generación basadas en energías renovables. [ 54 ]

Reciclaje

Ejemplos de instalaciones actuales de reciclaje de baterías de iones de litio. Adaptado de Awan [ 54 ].

Aunque la vida útil de las baterías se puede extender mediante una segunda aplicación, en última instancia, las baterías de los vehículos eléctricos deben reciclarse. La reciclabilidad no es actualmente una consideración de diseño importante para los fabricantes de baterías, y en 2019 solo se recicló el 5 % de las baterías de vehículos eléctricos. [ 59 ] Sin embargo, cerrar el ciclo es extremadamente importante. No solo por una escasez prevista de níquel , cobalto y litio en el futuro, sino también porque el reciclaje de baterías de vehículos eléctricos tiene el potencial de maximizar el beneficio ambiental. Xu et al. predijeron que en el escenario de desarrollo sostenible, el litio, el cobalto y el níquel alcanzarán o superarán la cantidad de reservas conocidas en el futuro si no se implementa el reciclaje. [ 60 ] Ciez y Whitacre descubrieron que al implementar el reciclaje de baterías se podría evitar parte de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de la minería. [ 61 ]

En muchos países, las tecnologías de vehículos eléctricos de batería (VEB) carecen de un marco de reciclaje establecido, lo que convierte el uso de VEB y otros equipos eléctricos que funcionan con baterías en un gran gasto energético, aumentando en última instancia las emisiones de CO₂ , especialmente en países que carecen de recursos de energía renovable. [ 62 ]

En todo el mundo se han realizado numerosos esfuerzos para promover el desarrollo y la implementación de tecnologías de reciclaje. En Estados Unidos, la Oficina de Tecnologías Vehiculares (VTO) del Departamento de Energía impulsó dos iniciativas centradas en la innovación y la viabilidad de los procesos de reciclaje. El centro de I+D de reciclaje de litio ReCell reúne a tres universidades y tres laboratorios nacionales para desarrollar tecnologías de reciclaje innovadoras y eficientes. Cabe destacar que el método de reciclaje directo de cátodos fue desarrollado por el centro ReCell. Por otro lado, la VTO también creó el premio de reciclaje de baterías para incentivar a los emprendedores estadounidenses a encontrar soluciones innovadoras para los desafíos actuales. [ 63 ]

El reciclaje de baterías de vehículos eléctricos ayuda a recuperar materiales valiosos como litio, cobalto, níquel y elementos de tierras raras , reduciendo la necesidad de nuevas explotaciones mineras y conservando los recursos naturales, además de reducir la huella ambiental asociada a la producción de baterías al minimizar los impactos mineros, el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero. [ 64 ] [ 65 ]

Reciclaje frente a minería

Emisiones del reciclaje de baterías bajo la red eléctrica promedio de EE. UU. (a,b) para celda cilíndrica y (c,d) para celda tipo bolsa. Adaptado de Ciez y Whitacre. [ 61 ]

Para comprender mejor el ciclo de vida de las baterías de vehículos eléctricos, es importante analizar las emisiones asociadas a las diferentes fases. Tomando como ejemplo las celdas cilíndricas NMC, Ciez y Whitacre descubrieron que se emiten alrededor de 9  kg de CO₂e kg batería⁻¹ durante el preprocesamiento de materias primas y la fabricación de baterías bajo la red eléctrica promedio de EE. UU. La mayor parte de las emisiones provino de la preparación de materiales, representando más del 50 % de las emisiones. Si se utiliza una celda tipo bolsa NMC, la emisión total aumenta a casi 10 kg de CO₂e kg batería⁻¹, mientras que la fabricación de materiales sigue contribuyendo a más del 50 % de las emisiones. [ 61 ] Durante la fase de gestión al final de la vida útil, el proceso de reacondicionamiento añade pocas emisiones a las emisiones del ciclo de vida. El proceso de reciclaje, por otro lado, como sugieren Ciez y Whitacre, emite una cantidad significativa de GEI. Como se muestra en el gráfico de emisiones del reciclaje de baterías a y c, las emisiones del proceso de reciclaje varían según los diferentes procesos de reciclaje, la química y el formato. Por lo tanto, la emisión neta evitada en comparación con no reciclar también varía con estos factores. A simple vista, como se muestra en los gráficos b y d, el proceso de reciclaje directo es el más ideal para reciclar baterías de celda tipo bolsa, mientras que el proceso hidrometalúrgico es el más adecuado para baterías de tipo cilíndrico. Sin embargo, con las barras de error mostradas, no se puede elegir el mejor enfoque con certeza. Cabe destacar que para la química de fosfatos de hierro y litio (LFP), el beneficio neto es negativo. Debido a que las celdas LFP carecen de cobalto y níquel, que son costosos y requieren mucha energía para producirlos, es más eficiente energéticamente extraerlos. En general, además de promover el crecimiento de un solo sector, debería existir un esfuerzo más integrado para reducir las emisiones del ciclo de vida de las baterías de vehículos eléctricos. Una oferta total finita de material de tierras raras puede justificar aparentemente la necesidad de reciclar. Pero el beneficio ambiental del reciclaje requiere un análisis más detallado. Con base en la tecnología de reciclaje actual, el beneficio neto del reciclaje depende de los factores de forma, la química y el proceso de reciclaje elegido. 

Impacto ambiental

Se estima que la transición a los vehículos eléctricos requerirá 87 veces más metales específicos que en 2015 para 2060, los cuales deben extraerse inicialmente, y el reciclaje cubrirá parte de la demanda en el futuro. [ 66 ] Según un estudio de la IEA de 2021, los suministros de minerales deben aumentar de 400 kilotoneladas en 2020 a 11.800 kilotoneladas en 2040 para cubrir la demanda de los vehículos eléctricos. Este aumento crea una serie de desafíos clave, desde la cadena de suministro, ya que el 60% de la producción se concentra en China, hasta un impacto significativo en el clima y el medio ambiente como resultado de un aumento tan grande en las operaciones mineras. [ 67 ] Sin embargo, el 45% de la demanda de petróleo en 2022 fue para el transporte por carretera, y las baterías pueden reducir esta cifra al 20% para 2050, [ 68 ] lo que ahorraría cientos de veces más materia prima que la utilizada para fabricar las baterías. [ 69 ]

Persisten las preocupaciones sobre la injusticia distributiva y energética, ya que las comunidades ricas en recursos pero económicamente desfavorecidas soportan costos sociales y ecológicos mientras que las naciones más ricas se benefician de estas tecnologías. [ 70 ] [ 71 ] Los académicos describieron estas regiones como zonas de sacrificio , donde los grupos indígenas y de bajos ingresos experimentan violencia lenta y degradación ambiental . [ 72 ] [ 73 ] En muchos casos, los proyectos mineros se llevan a cabo sin una consulta/consentimiento significativo, dejando a las comunidades locales sin voz en las decisiones que las afectan, lo que pone de relieve los problemas de injusticia procesal . [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ] Las políticas regulatorias, como el Código Minero de la RDC [ 77 ] y la Guía de Debida Diligencia de la OCDE , [ 78 ] pretenden abordar los problemas, pero se enfrentan a una aplicación débil, corrupción y compromisos no vinculantes que limitan su eficacia.

La creciente demanda de baterías para vehículos eléctricos ha intensificado la minería de níquel , cobre , litio y cobalto , particularmente en países en desarrollo como Filipinas , [ 79 ] la República Democrática del Congo (RDC) , [ 80 ] Chile , [ 81 ] [ 82 ] e Indonesia . [ 83 ] La minería de níquel en Indonesia ha causado una deforestación significativa y contaminación por metales pesados ​​en los ríos, afectando a las comunidades que dependen de estos ecosistemas. [ 84 ] [ 76 ] [ 85 ] En la RDC, la minería expone a grupos marginados a niveles elevados de metales tóxicos en el aire, el agua y el suelo, con poca compensación o protección y sin poder para influir en las regulaciones mineras o exigir mejores condiciones laborales. [ 80 ]

En el Salar de Atacama de Chile , la extracción de litio consume el 65% del suministro de agua dulce de la región, lo que agrava las sequías y afecta a las comunidades indígenas. [ 81 ] [ 86 ] Producir una tonelada métrica de litio requiere de 400 000 a 2 millones de litros (100 000-500 000 galones) de agua. [ 81 ] [ 87 ] En enero de 2024, protestas lideradas por indígenas bloquearon las operaciones mineras, exigiendo su inclusión en la toma de decisiones sobre el salar . [ 88 ] Persisten las preocupaciones sobre la falta de cumplimiento del Consentimiento Libre, Previo e Informado (CLPI) en las comunidades afectadas. [ 89 ]

Costo de la batería

Los costos promedio de las baterías cayeron un 90% entre 2010 y 2024 debido a los avances en la química y la fabricación de baterías. [ 8 ] : 3 Las baterías representan una parte sustancial del costo total de un EV, a menudo representando hasta el 30-40% del precio total del vehículo. [ 90 ] Sin embargo, el costo de las baterías de EV ha estado disminuyendo constantemente a lo largo de los años debido a los avances en la tecnología, las economías de escala y las mejoras en los procesos de fabricación. [ 91 ] Las baterías de EV generalmente vienen con garantías que cubren una cierta cantidad de años o millas, lo que refleja la confianza en su durabilidad y confiabilidad a lo largo del tiempo. [ 92 ]

El costo de los paquetes de baterías de iones de litio sigue siendo una barrera principal para la adopción generalizada de vehículos eléctricos de batería (VEB), particularmente para lograr la paridad de costos con los vehículos con motor de combustión interna (VCI). Una gran fracción —alrededor del 70%— del costo total de la batería se atribuye a los materiales utilizados en la celda, y los cátodos por sí solos representan entre el 40 y el 45% de este costo de materiales. [ 93 ] La alta volatilidad de los precios de las materias primas, particularmente el níquel y el cobalto, afecta significativamente el costo de los materiales activos del cátodo (MAC), lo que a su vez influye en el costo total de los paquetes de baterías.

Según un artículo de 2019, los modelos más recientes de esa época adoptaron un enfoque ascendente, calculando los costos de las baterías a partir de los precios de los metales en bruto en lugar de basarse en precios fijos de CAM. Este enfoque reveló cómo las fluctuaciones en los precios del cobalto y el níquel impactaron los costos de los CAM como NMC, NCA, LMO, LNMO y LFP. Se demostró que el cambio a cátodos con mayor contenido de níquel (por ejemplo, NMC811, NCA) redujo los costos de los materiales al mejorar la densidad de energía y disminuir el contenido de cobalto. [ 94 ]

Los análisis tecnoeconómicos muestran que los BEV con mayores requerimientos de energía (por ejemplo, 320 km, 200 millas de autonomía) se benefician de menores costos por kWh debido al uso de electrodos más gruesos y mejores economías de escala. Por ejemplo, los costos a nivel de paquete pueden variar desde aproximadamente $545/kWh para vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV10) hasta alrededor de $230/kWh para vehículos BEV200. [ 95 ] Estas reducciones son más significativas que las logradas únicamente mediante mejoras de proceso optimistas. 

Las economías de escala desempeñan un papel crucial en la reducción de los costos de las baterías, aunque las reducciones significativas se estancan más allá de los volúmenes de producción de 200–300 MWh por año. [ 96 ] Para lograr mayores reducciones, podrían ser necesarios aumentos en el tamaño de la planta, una mejor fabricación de electrodos mediante el proceso rollo a rollo y mayores tasas de utilización de los equipos. El tamaño mínimo viable de las plantas actualmente se sitúa por debajo de 2 GWh/año, pero podría ser necesario superar los 15 GWh/año en el futuro para mantener la eficiencia de costos y el crecimiento del mercado. [ 96 ]

paridad EV

Los precios de las baterías disminuyeron debido a las economías de escala y a las nuevas químicas de celdas que mejoraron la densidad energética. [ 97 ] Sin embargo, las presiones inflacionarias generales y el aumento de los costos de las materias primas y los componentes frenaron la disminución de los precios a principios de la década de 2020. [ 97 ]

paridad de costos

Un problema es el precio de compra, el otro es el costo total de propiedad. El costo total de propiedad de los autos eléctricos suele ser menor que el de los autos de gasolina o diésel. [ 98 ] En 2024, Gartner predijo que para 2027, los BEV de próxima generación serán, en promedio, más baratos de producir que un ICE comparable. [ 99 ] En China, los BEV son ahora más baratos que los autos de combustión comparables. [ 100 ] El desarrollo está impulsado por los subsidios en el mercado chino. EE. UU. está protegiendo a sus propios fabricantes con aranceles , en la UE esto es objeto de debate. Esto puede retrasar la paridad de costos.

paridad de rango

La masa de la batería del vehículo eléctrico es el factor limitante para alcanzar la paridad de autonomía. Los motores diésel y de gasolina tienen una densidad energética más de 50 veces superior a la de las baterías actuales de los vehículos eléctricos.

En la práctica, la velocidad de carga es más relevante que la capacidad de la batería (véase la sección de recarga). Las baterías típicas de los vehículos eléctricos en los turismos tienen una masa de 300 a 1000 kg (660 a 2200 lb) [ 102 ] , lo que resulta en autonomías de 150 a 500 km (90 a 310 millas) , dependiendo de la temperatura, el estilo de conducción y el tipo de coche.   

Incluso con la misma autonomía que un vehículo promedio de combustión interna, los compradores deben tener la seguridad de que existen estaciones de carga ampliamente disponibles y compatibles para sus vehículos. [ 103 ]

A partir de 2024El alcance de los barcos eléctricos y los aviones grandes es menor que el de los que utilizan motores de combustión. Para electrificar todo el transporte marítimo se necesita una carga estandarizada de varios megavatios. [ 104 ] Pero a veces se pueden intercambiar las baterías, por ejemplo, para el transporte fluvial. [ 105 ] A partir de 2024 No se prevé que los aviones grandes totalmente eléctricos alcancen autonomías superiores a 1000 km en una década, lo que significa que en más de la mitad de los vuelos programados no se podrá lograr la paridad de autonomía. [ 106 ]

Detalles específicos

Componentes internos

Paquete de baterías en el techo de un autobús eléctrico de batería
Camión eléctrico e-Force One. Batería ubicada entre los ejes.
Celda cilíndrica (18650) antes del ensamblaje
Electrónica de monitorización de baterías de iones de litio (protección contra sobrecarga y sobredescarga)

El diseño de las baterías para vehículos eléctricos (VE) es complejo y varía considerablemente según el fabricante y la aplicación específica. Sin embargo, todas incorporan una combinación de varios sistemas de componentes mecánicos y eléctricos sencillos que realizan las funciones básicas requeridas.

Las celdas de la batería pueden tener diferentes composiciones químicas, formas físicas y tamaños, según las preferencias de cada fabricante. Los paquetes de baterías siempre incorporan numerosas celdas individuales conectadas en serie y en paralelo para alcanzar los requisitos totales de voltaje y corriente. Los paquetes de baterías para vehículos eléctricos pueden contener varios cientos de celdas individuales. Cada celda tiene un voltaje nominal de 3 a 4 voltios , dependiendo de su composición química.

Para facilitar la fabricación y el ensamblaje, el conjunto de celdas suele agruparse en conjuntos más pequeños llamados módulos. Varios de estos módulos se colocan en un solo paquete. Dentro de cada módulo, las celdas se sueldan entre sí para completar el circuito eléctrico y permitir el flujo de corriente. Los módulos también pueden incorporar mecanismos de refrigeración, monitores de temperatura y otros dispositivos. Para un rendimiento óptimo, los módulos deben mantenerse dentro de un rango de temperatura específico. [ 107 ] En la mayoría de los casos, los módulos también permiten monitorizar la tensión producida por cada celda de la batería mediante un sistema de gestión de baterías (BMS). [ 108 ]

El conjunto de celdas de la batería cuenta con un fusible principal que limita la corriente del paquete en caso de cortocircuito. Se puede retirar un conector de servicio o un interruptor de desconexión para dividir el conjunto de baterías en dos mitades eléctricamente aisladas. Al retirar el conector de servicio, los terminales principales expuestos de la batería no representan un peligro eléctrico significativo para los técnicos de servicio. [ 108 ] [ 109 ]

El paquete de baterías también contiene relés o contactores que controlan la distribución de la energía eléctrica del paquete a los terminales de salida. En la mayoría de los casos, habrá un mínimo de dos relés principales que conectan el conjunto de celdas de la batería a los terminales de salida positivo y negativo principales del paquete, los cuales suministran alta corriente al motor de accionamiento eléctrico. Algunos diseños de paquetes incluyen rutas de corriente alternativas para precargar el sistema de accionamiento mediante una resistencia de precarga o para alimentar un bus auxiliar, que también tendrá sus propios relés de control asociados. Por razones de seguridad, todos estos relés están normalmente abiertos. [ 108 ] [ 109 ]

El paquete de baterías también contiene diversos sensores de temperatura, voltaje y corriente. La unidad de monitoreo de batería (BMU) o BMS del paquete se encarga de recopilar los datos de los sensores y activar los relés del paquete. La BMS también gestiona la comunicación con el vehículo fuera del paquete de baterías. [ 108 ]

Recargando

Las baterías de los vehículos eléctricos deben recargarse periódicamente. Estos vehículos se cargan en casa mediante la red eléctrica o la generación local, como paneles solares, o utilizando un punto de recarga . La energía se genera a partir de diversas fuentes, como carbón , energía hidroeléctrica , energía nuclear , gas natural , paneles solares fotovoltaicos y energía eólica .

Tiempo de recarga

Curvas de carga de vehículos eléctricos en cargadores de 300 kW [ 110 ]

Con la recarga rápida, la preocupación por la autonomía limitada pierde relevancia, ya que se puede minimizar la duración de las paradas en las estaciones de carga públicas. Existe una creciente red de carga para vehículos eléctricos [ 111 ] con potencias de CC  de 150 kW o más que pueden añadir hasta 300  km de autonomía en una pausa típica de 30 minutos. La velocidad de carga depende de la potencia de la estación de carga y de la carga máxima que puede soportar el modelo específico de EV. Cuando la carga supera el 50%, la velocidad de carga generalmente disminuye. Las potencias típicas de carga rápida están entre 30 y 80  kW. [ 110 ] La carga en casa o en estaciones de carga más pequeñas que utilizan corriente alterna suele tardar varias horas. La tabla asume un consumo típico de 15 kWh por cada 100  km y tiene en cuenta que los conductores deberían hacer una pausa cada 300  km de todos modos.

El tiempo de carga en casa está limitado por la capacidad de la toma de corriente doméstica , a menos que se realicen trabajos de cableado eléctrico especializados. En EE. UU., Canadá, Japón y otros países con  electricidad de 120 V, una toma de corriente doméstica normal proporciona 1,5 kilovatios . En otros países con  electricidad de 230 V, se pueden suministrar entre 7 y 14 kilovatios (230  V monofásica y 400  V trifásica, respectivamente). En Europa, la conexión a la red de 400  V (230 V trifásica  ) es cada vez más popular, ya que las viviendas más nuevas no tienen conexión de gas natural debido a las normas de seguridad de la Unión Europea.

Duración de la batería

Con fuentes de alimentación adecuadas, se suele lograr una buena duración de la batería con tasas de carga que no superen la mitad de la capacidad de la batería por hora ( "0,5 C " ), [ 114 ] lo que requiere dos o más horas para una carga completa, pero existe una carga más rápida incluso para baterías de gran capacidad. [ 115 ]

Datos de Geotab de 2019 mostraron que la exposición al calor y el uso de carga rápida promueven la degradación de las baterías de iones de litio más que la edad y el uso real, y que la batería promedio de un vehículo eléctrico conservará el 90 % de su capacidad inicial después de seis años y seis meses de servicio. Por ejemplo, la batería de un Nissan Leaf contemporáneo se degradó el doble de rápido que la batería de un Tesla de la época, porque el Leaf no tenía un sistema de refrigeración activa para su batería. [ 116 ] Además, datos de Geotab citados en 2026 mostraron que la carga rápida frecuente puede desgastar las baterías al doble de velocidad, y que cargar frecuentemente al 100 % y dejarla reposar al 0 % durante períodos prolongados puede perjudicar la autonomía a largo plazo. [ 117 ]

Un estudio publicado en diciembre de 2024 en Nature Energy ha generado un debate significativo en las comunidades científicas y automotrices sobre la duración de las baterías de los vehículos eléctricos (VE). La investigación sugiere que, en condiciones reales, las baterías de los VE pueden durar hasta un tercio más de lo estimado previamente en condiciones de laboratorio. Este hallazgo cuestiona la suposición de que las pruebas de laboratorio, realizadas en condiciones controladas y a menudo más rigurosas, predicen con precisión la vida útil de la batería en el uso diario. [ 118 ]

Conectores

La alimentación de carga se puede conectar al coche de dos maneras. La primera es una conexión eléctrica directa conocida como acoplamiento conductivo . Esto puede ser tan simple como un cable de alimentación conectado a una toma de corriente estanca mediante cables especiales de alta capacidad con conectores para proteger al usuario de altos voltajes . El estándar moderno para la carga de vehículos eléctricos es el conector conductivo SAE  1772 (IEC  62196 Tipo  1) en EE. UU. [ 119 ] La ACEA ha elegido el VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC  62196 Tipo  2) para su implementación en Europa, que incluye un mecanismo de bloqueo automático en lugar de un pestillo físico. [ 120 ]

El segundo método se conoce como carga inductiva . Se inserta una "palanca" especial en una ranura del coche. La pala es un devanado de un transformador , mientras que el otro está integrado en el vehículo. Al insertar la pala, se completa un circuito magnético que suministra energía a la batería. En un sistema de carga inductiva, un devanado se fija a la parte inferior del coche y el otro permanece en el suelo del garaje. La ventaja del método inductivo es que no existe riesgo de electrocución , ya que no hay conductores expuestos, aunque los sistemas de seguridad, los conectores especiales y los detectores de fallos a tierra pueden hacer que el acoplamiento conductivo sea casi igual de seguro. La carga inductiva también puede reducir el peso del vehículo al trasladar más componentes de carga fuera del mismo. [ 121 ] Un defensor de la carga inductiva de Toyota afirmó en 1998 que las diferencias de coste totales eran mínimas, mientras que un defensor de la carga conductiva de Ford sostuvo que esta última era más rentable. [ 121 ]

Puntos de recarga

A partir de junio de 2024 , existen más de 200.000 ubicaciones y 400.000 estaciones de carga para vehículos eléctricos en todo el mundo. [ 122 ]

Autonomía de viaje antes de recargar

La autonomía de un vehículo eléctrico de batería (VEB) depende del número y tipo de baterías utilizadas. El peso y el tipo de vehículo, así como el terreno, las condiciones climáticas y el desempeño del conductor, también influyen, al igual que en la autonomía de los vehículos tradicionales . El rendimiento de la conversión a eléctrico depende de varios factores, incluida la química de la batería. Los vehículos eléctricos equipados con baterías de iones de litio ofrecen una autonomía de 320 a 540 km (200 a 340 millas) por carga. [ 123 ]  

La resistencia interna de algunas baterías puede aumentar significativamente a bajas temperaturas [ 124 ], lo que puede provocar una reducción notable en la autonomía del vehículo y en la vida útil de la batería.

Con un sistema de CA o un sistema avanzado de CC, el frenado regenerativo puede extender la autonomía hasta en un 50 % en condiciones de tráfico extremas sin detenerse por completo. De lo contrario, la autonomía se extiende entre un 10 y un 25 % en la conducción urbana, [ 125 ] y solo de forma insignificante en la conducción en carretera, dependiendo del terreno.

Los vehículos eléctricos de batería (incluidos autobuses y camiones) también pueden usar remolques con generador y remolques de empuje para extender su autonomía cuando se desee, sin el peso adicional durante el uso normal de corta distancia. Los remolques con cesta descargados pueden reemplazarse por otros recargados durante el trayecto. Si se alquilan, los costos de mantenimiento pueden abonarse a la agencia.

Tráileres

La capacidad de la batería auxiliar transportada en los remolques puede aumentar la autonomía total del vehículo, pero también aumenta la pérdida de potencia derivada de la resistencia aerodinámica , incrementa los efectos de transferencia de peso y reduce la capacidad de tracción .

Intercambio y eliminación

Una alternativa a la recarga es intercambiar baterías descargadas o casi descargadas (o módulos extensores de autonomía ) por baterías completamente cargadas. Esto se denomina intercambio de baterías y se realiza en estaciones de intercambio . [ 126 ]

Las características de las estaciones de intercambio incluyen: [ 127 ]

  1. Al consumidor ya no le preocupan el coste de capital de la batería, su ciclo de vida, la tecnología, el mantenimiento o los problemas de garantía;
  2. El intercambio es mucho más rápido que la carga: los equipos de intercambio de baterías fabricados por la empresa Better Place han demostrado intercambios automatizados en menos de 60  segundos; [ 128 ]
  3. Las estaciones de intercambio aumentan la viabilidad del almacenamiento de energía distribuida a través de la red eléctrica;

Entre las preocupaciones relacionadas con los puntos de intercambio se incluyen:

  1. Potencial de fraude (la calidad de la batería solo se puede medir durante un ciclo de descarga completo; la vida útil de la batería solo se puede medir durante ciclos de descarga repetidos; quienes participan en la transacción de intercambio no pueden saber si están recibiendo una batería desgastada o con eficacia reducida; la calidad de la batería se degrada lentamente con el tiempo, por lo que las baterías desgastadas se irán introduciendo gradualmente en el sistema).
  2. La falta de voluntad de los fabricantes para estandarizar el acceso a las baterías de hardware de código abierto y los detalles de implementación, [ 129 ] por lo que los usuarios deben encontrar una estación propietaria
  3. Preocupaciones de seguridad [ 129 ]

Vehículo a red

La red inteligente permite que los vehículos eléctricos de batería (BEV) suministren energía a la red en cualquier momento, especialmente:

  • Durante los períodos de máxima demanda (cuando el precio de venta de la electricidad puede ser muy alto), los vehículos pueden recargarse durante las horas de menor demanda a precios más económicos, lo que ayuda a absorber el exceso de generación nocturna. Los vehículos funcionan como un sistema de almacenamiento de energía distribuido para amortiguar el consumo.
  • Durante los apagones , como fuentes de energía de respaldo.

Seguridad

Los problemas de seguridad de los vehículos eléctricos de batería se abordan en gran medida mediante la norma internacional ISO 6469. Esta norma se divide en tres partes:

  • Almacenamiento de energía eléctrica a bordo, es decir, la batería.
  • La seguridad funcional implica protección contra fallos.
  • Protección de las personas contra los riesgos eléctricos.

Los bomberos y el personal de rescate reciben capacitación especial para lidiar con los voltajes y productos químicos más altos que se presentan en los accidentes de vehículos eléctricos e híbridos. Si bien los accidentes de vehículos eléctricos de batería (VEB) pueden presentar problemas inusuales, como incendios y humos resultantes de la descarga rápida de la batería, muchos expertos coinciden en que las baterías de los VEB son seguras en vehículos disponibles comercialmente y en colisiones por alcance, y son más seguras que los automóviles de gasolina con tanques de gasolina traseros. [ 130 ]

Por lo general, las pruebas de rendimiento de la batería incluyen la determinación de:

Las pruebas de rendimiento simulan los ciclos de conducción de los sistemas de propulsión de vehículos eléctricos de batería (BEV), vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) según las especificaciones requeridas por los fabricantes de automóviles ( OEM ). Durante estos ciclos de conducción, se puede realizar una refrigeración controlada de la batería, simulando las condiciones térmicas del vehículo.

Además, las cámaras climáticas controlan las condiciones ambientales durante las pruebas y permiten simular todo el rango de temperaturas y condiciones climáticas del sector automotriz. [ 35 ]

Patentes

Las patentes pueden utilizarse para suprimir el desarrollo o la implementación de la tecnología de baterías. Por ejemplo, las patentes relacionadas con el uso de celdas de níquel-metal hidruro en automóviles pertenecían a una filial de Chevron Corporation , una compañía petrolera, que mantenía poder de veto sobre cualquier venta o concesión de licencias de la tecnología NiMH. [ 131 ] [ 132 ]

Investigación, desarrollo e innovación

A diciembre de 2019, se planeaba invertir miles de millones de euros en investigación en todo el mundo para mejorar las baterías. [ 133 ] [ 134 ]

Los investigadores han propuesto algunas consideraciones de diseño para los cargadores de vehículos eléctricos sin contacto. Los sistemas de transferencia de energía acoplada inductivamente (ICPT) están diseñados para transferir energía de manera eficiente desde una fuente primaria (estación de carga) a una o más fuentes secundarias (vehículos eléctricos) sin contacto mediante acoplamiento magnético. [ 135 ]

Europa tiene planes para una fuerte inversión en el desarrollo y la producción de baterías para vehículos eléctricos, e Indonesia también tiene como objetivo producir baterías para vehículos eléctricos en 2023, invitando a la empresa china de baterías GEM y a Contemporary Amperex Technology Ltd a invertir en Indonesia. [ 136 ] [ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ] [ 141 ] [ 142 ] [ 143 ]

Ultracondensadores

Los condensadores eléctricos de doble capa (o "ultracondensadores") se utilizan en algunos vehículos eléctricos, como el prototipo conceptual de AFS Trinity, para almacenar energía disponible rápidamente con su alta potencia específica , con el fin de mantener las baterías dentro de los límites seguros de calentamiento resistivo y prolongar la vida útil de la batería. [ 144 ] [ 145 ]

Dado que los ultracondensadores disponibles comercialmente tienen una baja energía específica, ningún coche eléctrico de producción utiliza exclusivamente ultracondensadores.

En enero de 2020, Elon Musk , CEO de Tesla , afirmó que los avances en la tecnología de baterías de iones de litio han hecho innecesarios los ultracondensadores para los vehículos eléctricos. [ 146 ]

Promoción en los Estados Unidos

El 2 de mayo de 2022, el presidente Biden anunció que su administración pondrá en marcha un plan de 3160 millones de dólares para impulsar la fabricación y el reciclaje nacional de baterías, en un esfuerzo mayor por lograr que el país abandone los vehículos de gasolina y adopte los vehículos eléctricos. El objetivo de la administración Biden es que la mitad de la producción automovilística estadounidense sea eléctrica para 2030. [ 147 ]

La Ley de Reducción de la Inflación , aprobada el 16 de agosto de 2022, tenía como objetivo incentivar la fabricación de energía limpia con un crédito fiscal de 7500 dólares para los consumidores de vehículos eléctricos con baterías fabricadas en EE. UU. y subsidios para las plantas de vehículos eléctricos. Para octubre de 2022, se habían anunciado inversiones por miles de millones de dólares para más de dos docenas de plantas de baterías en EE. UU., lo que llevó a algunos analistas a apodar al Medio Oeste como el "Cinturón de la Batería". [ 148 ] [ 149 ]

Véase también

Liza

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