- ¿Qué hay dentro de una batería de vehículo eléctrico?
- Tipos de baterías
- Química básica de una batería
- Fundamentos de la química de las baterías de litio
- Conceptos básicos de las baterías de vehículos eléctricos
La velocidad, el kilometraje, el par y todos los parámetros vitales de un automóvil eléctrico dependen únicamente de la especificación del motor y del paquete de baterías utilizado en el automóvil. Si bien utilizar un motor potente no es gran cosa, el problema radica en diseñar un paquete de baterías que pueda generar suficiente corriente para el motor durante mucho tiempo sin degradar su vida útil. Para hacer frente a la demanda de voltaje y corriente, los fabricantes de vehículos eléctricos tienen que combinar cientos, si no miles, de celdas juntas para formar un paquete de baterías para un solo automóvil. Para dar una idea, el Tesla modelo S tiene alrededor de 7,104 celdas y la hoja Nissan tiene alrededor de 600 celdas. Este gran número, junto con la naturaleza inestable de las celdas de litio, dificulta el diseño de un paquete de baterías para un automóvil eléctrico. En este artículo, exploremos cómo se diseña una batería de vehículo eléctrico para un EVy cuáles son los parámetros vitales asociados con las baterías que hay que cuidar.
¿Qué hay dentro de una batería de vehículo eléctrico?
Si ha leído el artículo Introducción al vehículo eléctrico, ya habrá respondido a la pregunta. Para las personas que son nuevas, permítanme hacer un breve resumen. La imagen de abajo muestra el paquete de baterías del Nissan Leaf siendo destrozado al nivel de celda de su paquete.
Los autos eléctricos modernos usan baterías de litio para alimentar sus autos debido a algunas razones obvias que discutiremos más adelante en este artículo. Pero, estas baterías de litio tienen solo alrededor de 3.7V por celda, mientras que un automóvil EV requiere cerca de 300V. Para lograr un voltaje tan alto y una clasificación de Ah, las celdas de litio se combinan en serie y en paralelo para formar módulos y estos módulos, junto con algunos circuitos de protección (BMS) y el sistema de enfriamiento, están dispuestos en una carcasa mecánica denominada colectivamente Paquete de baterías como se muestra arriba.
Tipos de baterías
Si bien la mayoría de los automóviles usan baterías de litio, no solo estamos limitados a eso. Hay muchos tipos de productos químicos de batería disponibles. En términos generales, las baterías se pueden clasificar en tres tipos.
Baterías primarias: son baterías no recargables. Es decir, puede convertir energía química en energía eléctrica y no viceversa. Un ejemplo sería el uso de pilas alcalinas (AA, AAA) para juguetes y mandos a distancia.
Baterías Secundarias: Son las baterías que nos interesan para vehículos eléctricos. Puede convertir energía química en energía eléctrica para alimentar el EV y también puede convertir energía eléctrica en energía química nuevamente durante el proceso de carga. Estas baterías se utilizan comúnmente en teléfonos móviles, vehículos eléctricos y la mayoría de los demás dispositivos electrónicos portátiles.
Baterías de reserva: son un tipo especial de baterías que se utilizan en una aplicación única. Como su nombre indica, las baterías se mantienen como reserva (en espera) durante la mayor parte de su vida útil y, por lo tanto, tienen una tasa de autodescarga muy baja. Un ejemplo serían las baterías del chaleco salvavidas.
Química básica de una batería
Como se dijo anteriormente, hay muchas químicas diferentes disponibles para las baterías. Cada química tiene sus pros y sus contras. Pero independientemente del tipo de química, hay pocas cosas que son comunes para todas las baterías, permítanos echarles un vistazo sin profundizar en su química.
Hay tres capas principales en una batería: el cátodo, el ánodo y el separador. El cátodo es la capa positiva de la batería y el ánodo es la capa negativa de la batería. Cuando se conecta una carga a los terminales de la batería, la corriente (electrones) fluye desde el ánodo al cátodo. De manera similar, cuando se conecta un cargador a los terminales de la batería, el flujo de electrones se invierte, es decir, del cátodo al ánodo, como se muestra en la figura anterior.
Para que cualquier batería funcione, debe producirse una reacción química llamada reacción de oxidación-reducción. A veces también se llama reacción redox. Esta reacción tiene lugar entre el ánodo y el cátodo de la batería a través del electrolito (separador). El lado del ánodo de la batería estará dispuesto a ganar electrones y, por lo tanto, se producirá una reacción de oxidación y el lado del cátodo de la batería estará dispuesto a perder electrones y, por lo tanto, se producirá una reacción de reducción. Debido a esta reacción, los iones se transfieren del cátodo al lado del ánodo de la batería a través del separador. Como resultado, habrá más iones acumulados en el ánodo. Para neutralizar este ánodo hay que empujar los electrones de su lado al cátodo.
Pero el separador solo permite el flujo de iones a través de él y bloquea cualquier movimiento de electrones del ánodo al cátodo. Entonces, la única forma en que la batería puede transferir los electrones es a través de sus terminales exteriores, es por eso que cuando conectamos una carga a los terminales de la batería obtenemos una corriente (electrones) que fluye a través de ella.
Fundamentos de la química de las baterías de litio
Ya que vamos a discutir sobre las baterías de litio, ya que son las baterías más preferidas para EV, profundicemos un poco más en su química. Hay muchos tipos de baterías de litio de nuevo, litio-níquel-cobalto-aluminio (NCA), litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC), espinela de litio-manganeso (LMO), titanato de litio (LTO), fosfato de litio-hierro (LFP) son los más los comunes. Una vez más, cada química tiene sus propias características que se ilustran claramente en la imagen de abajo del grupo Boston Consulting.
De estos, el litio-níquel-cobalto-aluminio es el más utilizado debido a su bajo costo. Entraremos en más de estos parámetros más adelante en este artículo. Pero una cosa común que puede notar aquí es que el litio está presente en todas las baterías. Esto se debe principalmente a la configuración electrónica del litio. A continuación se muestra un átomo neutro de metal de litio.
Tiene un número atómico de tres, lo que significa que tres electrones estarán alrededor de su nucleasa y la capa más externa tiene solo un electrón de valencia. Durante la reacción, este electrón de cenefa se extrae, lo que nos da un electrón y un ión de litio con dos electrones que forman un ión de litio. Como se discutió anteriormente, el electrón fluirá como corriente a través de los terminales externos de la batería y el ión de litio fluirá a través del electrolito (separador) durante la reacción redox.
Conceptos básicos de las baterías de vehículos eléctricos
Ahora sabemos cómo funciona una batería y cómo se usa en un vehículo eléctrico, pero para continuar desde aquí, necesitamos comprender algunas terminologías básicas que se usan comúnmente al diseñar un paquete de baterías. Hablemos de ellos…
Clasificación de voltaje: dos clasificaciones muy comunes que puede encontrar marcadas en una batería son su clasificación de voltaje y la clasificación de Ah. Las baterías de plomo ácido suelen ser de 12 V y las de litio de 3,7 V. A esto se le llama voltaje nominal de una batería. Esto no significa que la batería proporcionará 3,7 V a través de sus terminales todo el tiempo. El valor del voltaje variará según la capacidad de la batería. Discutiremos