LA BATERIA PERFECTA

Les bateries actuals permeten als vehicles elèctrics recórrer llargues distàncies i es carreguen en temps raonables. No obstant això, els investigadors treballen per millorar-les encara més amb nous enfocaments i gràcies a la tecnologia de ions de liti.

Els emprovadors de la revista Auto Bild van quedar impressionats durant un dels seus tests. En al voltant de 22 minuts, van poder carregar la bateria gairebé buida d’un Porsche Taycan fins a arribar al 80 per cent de la seva capacitat. Un rècord que es pot considerar gairebé imprescindible en aquest segment, ja que als conductors de cotxes esportius no els agrada esperar. “Per Porsche en particular, l’alt rendiment de càrrega juga un paper clau”, diu Stefanie Edelberg, enginyer de Porsche Engineering. “La conducció esportiva esgota la bateria més ràpid i el client no vol estar una hora davant de l’endoll per tenir el seu cotxe preparat per seguir fent quilòmetres».

«Per Porsche, l’alt rendiment de càrrega juga un paper clau»

Stefanie Edelberg, enginyer
I la veritat és que els conductors ja no han de fer-ho. “La tecnologia de bateries per a automòbils funciona bé en la pràctica, fins i tot en termes de rendiment, càrrega i vida útil”, diu Dirk Uwe Sauer, professor de Tecnologia de Sistemes d’emmagatzemament i Conversió d’Energia Electroquímica a la Universitat RWTH d’Aachen.

Stefanie Edelberg, enginyer, 2020, Porsche AG
Stefanie Edelberg treballa com a enginyer en Porsche Engineering, dins el departament de Vehicles Híbrids, Elèctrics i Carcasses de Bateria. Ella i el seu equip dissenyen i desenvolupen tot el que pertoca a les bateries d’alt voltatge.
“No obstant això, diverses propietats extremes no es poden combinar. No pots tenir tot alhora ». ¿Càrrega ultraràpida combinada amb una alta densitat d’energia? Això no és possible perquè la vida útil es veuria afectada per aquesta combinació. Sauer es mostra escèptic sobre els informes dels mitjans sobre suposades bateries miraculoses, perquè generalment se sol optimitzar un sol paràmetre en detriment d’altres. “No pot existir una bateria universal per a tot tipus d’ús”, diu.

Cel·les de ions de liti: alta densitat energètica
Els sistemes d’emmagatzematge d’energia per a vehicles elèctrics milloren constantment, però les cel·les de ions de liti seguiran sent la tecnologia triada en el futur previsible. Això es deu al fet que l’alta reactivitat de l’liti i l’elevada densitat energètica de les cel·les permeten emmagatzemar una gran quantitat d’energia en un espai petit. Aquestes bateries són, a més, molt robustes, el que els permet suportar al voltant de 2.000 cicles de càrrega en un vehicle totalment elèctric a una gran profunditat de descàrrega abans de perdre la seva utilitat. Tot i això, els desenvolupadors creuen que podrien durar diverses vegades més. Un altre avantatge d’una bateria d’ió-liti és que no té l’efecte memòria de les bateries de níquel-cadmi: en el cas de descàrregues parcials freqüents, “recorden” el requeriment energètic típic i ajusten la seva capacitat a ell.

A l’contrari del que alguns puguin pensar, la tecnologia de ions de liti encara no ha tocat sostre. Existeixen en aquest moment moltes oportunitats de desenvolupament en termes de química i disseny. La densitat d’energia, de fet, augmentarà presumiblement amb els anys. Segons els científics de l’Institut Fraunhofer de Recerca de Sistemes i Innovació (ISI), la densitat d’energia gairebé s’ha duplicat durant l’última dècada a les cel·les de bateria de ions de liti de gran format per a automòbils elèctrics, fins a aconseguir una energia específica mitjana de 250 Wh / kg (o 500 Wh / l de densitat energètica). A el ritme actual, és probable que l’any 2030 aquestes xifres s’hagin duplicat.

També hi ha altres propietats de les bateries de ions de liti que són susceptibles de millora. “Els grans reptes són la càrrega ràpida i la seguretat”, informa Stefano Passerini, director de el Grup d’Investigació d’Electroquímica de Bateries de l’Institut Helmholtz d’Ulm. “Una càrrega ràpida a el 80 per cent en 15 minuts o menys faria que els vehicles elèctrics fossin encara més atractius. No obstant això, els requisits de seguretat també augmenten juntament amb la càrrega ràpida ».

La capacitat i el rendiment de la bateria disminueixen amb cada càrrega excessivament ràpida

La càrrega ràpida és un desafiament perquè els àtoms de liti migren als cristalls de carboni de l’elèctrode durant la càrrega. A l’descarregar, es recuperen d’allà. No obstant això, “com més ràpid es carrega la bateria, major és el risc que els portadors de càrrega s’enganxin a la superfície dels vidres, formant una capa metàl·lica i danyant així la cel”, explica Sauer. De manera que la capacitat i la potència disminueixen amb cada càrrega ràpida. En casos extrems, pot fins i tot arribar a produir-se un curtcircuit. “Desafortunadament, definir el terme ‘massa ràpid’ no és tasca fàcil”, diu Sauer. “Actualment, s’estan duent a terme diverses investigacions per poder detectar aquest problema en el laboratori i en el propi vehicle”.

Càrrega i descàrrega d’una bateria de ions de liti, 2020, Porsche AG
Càrrega i descàrrega d’una bateria de ions de liti: en aquest tipus de bateries, l’elèctrode negatiu (generalment de grafit) i l’elèctrode positiu (generalment fet d’òxids de metall de transició) estan dividits per un separador. Els ions de liti carregats positivament poden travessar-se lliurement en ambdues direccions. Quan es descarreguen, els electrons flueixen des del ànode a través d’circuit exterior fins al càtode, mentre que simultàniament els ions de liti carregats positivament també travessen el separador i migren cap a l’estructura de l’càtode. Durant la càrrega, un voltatge extern impulsa els ions de liti de retorn a la direcció de l’elèctrode negatiu. El liti és especialment adequat per a les bateries perquè el metall més lleuger de la taula periòdica està molt disposat a cedir un dels seus tres electrons. A el mateix temps, la seva alta reactivitat també fa que els àtoms de liti formin fàcilment enllaços químics. Per evitar això, han de protegir-se de l’aire i de l’aigua dins de la bateria.
No és l’únic obstacle amb què es troben els desenvolupadors. Altres punts importants a tenir en compte són els endolls de càrrega, els cables i la infraestructura de el vehicle, que també s’han de dissenyar per als corrents altes. Això implica que hi hagi cables gruixuts i, per tant, que augmenti el pes. La bona notícia és que això es pot compensar mitjançant un sistema de bateria de major voltatge. Per això, el Porsche Taycan està equipat amb un sistema de bateria d’alt voltatge de 800 volts en lloc dels 400 habituals en els cotxes elèctrics.

Stefano Passerini, director d’Electroquímica de Bateries, 2020, Porsche AG
Stefano Passerini és el director de el Grup de Recerca d’Electroquímica de Bateries a l’Helmholtz Institute Ulm (hiu). El seu equip s’encarrega d’estudiar les bateries, l’ús sostenible dels recursos, el medi ambient i la reducció de costos.
Per comparar els temps de càrrega de vehicles elèctrics amb diferents capacitats de bateria, la variable o taxa “C” (C significa «capacitat») és de gran utilitat. Indica la relació entre el corrent de càrrega o descàrrega d’una cel·la electroquímica en amperes (A) i la capacitat de la cel·la en amperes-hora (Ah). Un valor de 1 significa que la càrrega completa triga una hora. Els valors 2 i 3 representen, respectivament, mitja hora i 20 minuts de càrrega.

Els desenvolupadors aspiren a arribar a un “C” de 10, el que significaria uns sis minuts de temps de càrrega, alguna cosa similar a el repostatge d’un vehicle amb motor de combustió. Encara estem molt lluny d’això avui. Però en el projecte d’investigació “FastCharge”, fabricants com Siemens, Phoenix Contact Correu Mobility i Porsche, entre d’altres, treballen precisament per millorar el sistema de subministrament d’energia per a vehicles elèctrics. El consorci industrial ja ha avançat molt en aquest sentit. Durant uns tests realitzats, un vehicle de proves de Porsche amb una bateria de 90 kWh va aconseguir una capacitat de càrrega de 400 kW, el que va permetre obtenir els primers 100 quilòmetres d’autonomia en menys de tres minuts. Un procés de càrrega complet de l’10 a l’80 per cent en estació de càrrega ultraràpida va requerir 15 minuts. Per tant, Porsche pot dir que avui és factible aconseguir una taxa “C” de 4 a 5. “El factor decisiu és un innovador sistema de refrigeració per a la bateria, el vehicle i el sistema de càrrega”, explica Edelberg.

S’espera que la bateria d’estat sòlid porti avenços en termes de càrrega ràpida i seguretat. En aquest cas, s’utilitza un polímer o ceràmica en lloc de l’electròlit líquid. Atès que no s’utilitza líquid, les bateries es tornen més compactes, el que permet augmentar significativament la seva densitat d’energia. A el mateix temps, les cèl·lules són menys inflamables.

«Esperem que les bateries de ions de liti d’estat sòlid redueixin els problemes de seguretat perquè els electròlits d’estat sòlid són menys inflamables»

Stefano Passerini

“Esperem que les bateries sòlides de ions de liti redueixin els problemes de seguretat perquè els electròlits d’estat sòlid són menys inflamables”, diu Passerini. En teoria, també ofereixen millores pel que fa a temps de càrrega. “Però la seva viabilitat encara no s’ha demostrat en la pràctica”, conclou.

Alternativa lleugera: bateria de liti-sofre
No obstant això, el liti seguirà sent la base, fins i tot en una altra variant que actualment es troba sota estudi: la bateria de liti-sofre. En aquest cas, el càtode consisteix en una malla de sofre que reemplaça completament l’estructura de reixeta convencional de cobalt, manganès i níquel. Això fa que les bateries siguin significativament més lleugeres que altres convencionals. Però de moment també són bastant més cares, pel que poden ser més adequades per a un altre tipus de vehicles com, per exemple, els taxis aeris de el futur. La seva fiabilitat encara no està provada.

Altres tecnologies per augmentar la densitat d’energia que s’estan investigant actualment i que podrien arribar a curt o mitjà termini inclouen materials d’elèctrodes fets de compostos de carboni i silici, materials de càtodes rics en níquel o materials d’alt voltatge que permeten arribar als 5 volts per cel·la. “La investigació en aquestes àrees està cada vegada més a prop de portar-se a la pràctica”, diu Sauer. No obstant això, moltes altres investigacions encara es troben en fases d’inici, com els ions de sodi en lloc dels ions de liti o les combinacions de metall i oxigen.

Capacitats de producció de les bateries de ions de liti, 2020, Porsche AG
Capacitats de producció de bateries de ions de liti: encara que la Xina seguirà tenint la major capacitat de producció de bateries de ions de liti, Europa, i Alemanya en particular, s’estan posant a el dia. Per a finals d’aquesta dècada es preveu la instal·lació de fàbriques amb capacitats anuals de 413,5 GWh i 173 GWh.
Sauer, en qualsevol cas, veu un possible fre a qualsevol idea que es pugui posar sobre la taula: el cost. “A la fi, l’autonomia d’un vehicle no està limitada pel pes d’una bateria, sinó pel seu preu”. Segons els consultors de Horváth & Partners, el preu per kWh de les bateries de ions de liti ha disminuït de 400 euros el 2013 a 107 euros el 2019, però la baixada de preus no continuarà a aquest ritme a causa de l’augment de la demanda. Això es deu principalment als materials: “Les matèries primeres representen fins al 75 per cent de el cost d’una bateria”, diu Sauer.

Una cosa està clara: a la propera dècada, les bateries de ions de liti, amb totes les seves millores addicionals, seguiran sent la tecnologia dominant. “El progrés serà evolutiu, no revolucionari”, diu Sauer. “No espero grans avenços, ja que els límits els marquen les lleis de la natura”. Però això no és una cosa dolenta: “Les característiques d’aquesta tecnologia són massa bones per ser reemplaçades per qualsevol altra cosa. La mobilitat elèctrica ja està funcionant molt bé amb el que les bateries poden oferir avui i hi ha potencial per a un major desenvolupament en els propers anys “, emfatitza Sauer.

en resum
Avui en dia, les bateries de ions de liti ja ofereixen generoses xifres d’autonomia i temps de càrrega curts per als vehicles elèctrics. Però el desenvolupament continua a bon ritme. Les noves tecnologies, com les bateries d’estat sòlid i els nous materials dels elèctrodes, podrien augmentar encara més la densitat d’energia en el futur i reduir els temps de càrrega.