QUANTES BATERIES DE SMARTPHONE ES NECESSITEN PER ALIMENTAR UN COTXE ELÈCTRIC?

QUANTES BATERIES DE SMARTPHONE ES NECESSITEN PER ALIMENTAR UN COTXE ELÈCTRIC?

Si volguéssim fer un cotxe elèctric amb les prestacions de l’Kia e-Niro a partir de bateries convencionals de telèfons mòbils (de 4.000 mAh i 3,6 volts), hauríem d’agrupar ni més ni menys que ¡4.444 bateries!

A més, caldria emprar la topologia 45p98s per aconseguir el voltatge de 356 V de l’e-Niro, instal·lar-les en un compartiment blindat i dotar-les d’un eficaç sistema de gestió i refrigeració que permetés les càrregues ràpides i un òptim funcionament a qualsevol temperatura exterior.
El Doctor Álvaro Caballero ens explica totes les diferències entre les bateries d’un smartphone i les d’un cotxe elèctric.
Les bateries s’han convertit en un component clau en la societat actual. La seva tecnologia ha evolucionat molt en les últimes dècades, amb un desenvolupament impulsat per la demanda i l’augment de prestacions d’ordinadors, smartphones i tablets. Les bateries dels cotxes es van beneficiar inicialment de les innovacions arribades de el camp de l’electrònica de consum, però ara s’han invertit els papers i són el motor de desenvolupament. En tots dos mons es persegueix augmentar la capacitat i velocitat de càrrega, amb la menor grandària i pes possibles.

Però, ¿les bateries d’un cotxe i d’un smartphone només es distingeixen per la seva grandària i nombre de cel·les, o hi ha més diferències entre elles? Podríem alimentar un cotxe elèctric a partir de moltes bateries de telèfon mòbil? Per resoldre aquests dubtes comptem amb l’assessorament expert del Doctor Álvaro Caballero, professor titular de Departament de Química Inorgànica i Enginyeria Química i investigador de l’Institut Universitari en Química Fina i Nanoquímica de la Universitat de Còrdova, un dels referents nacionals en la investigació i desenvolupament de bateries.

Una tecnologia similar

“En general, les diferències entre les dues provenen de la necessitat d’energia tan diferent que requereix moure un cotxe elèctric a fer funcionar un mòbil. Però la tecnologia de la bateria és la mateixa en els dos casos: la cel·la recarregable Li-ió, basada en un ànode de grafit i un càtode principalment format per un òxid que conté liti, cobalt, manganès i níquel “, explica Álvaro Caballero.

La tecnologia de ions de liti va ser descoberta en els anys ’80 de el passat segle pel químic nord-americà John B. Goodenough. En 2019, l’Acadèmia Sueca li va concedir el Premi Nobel per aquesta innovació, destacant que “les aquestes bateries han revolucionat les nostres vides des que van ingressar a l’mercat el 1991. Han posat les bases d’una societat sense fils, lliure de combustibles fòssils, i són de gran benefici per a la humanitat “.

Diferent tipus de cel·les

Una bateria és un dispositiu electroquímic que emmagatzema energia en el seu interior partir d’una reacció química i és capaç d’alliberar-la en forma d’electricitat. La bateria d’un mòbil i d’un cotxe incorporen el nombre de cel·les necessari per assolir l’energia requerida en cada cas.

Tot i que el funcionament és similar, el disseny de les cel·les és molt diferent per qüestions d’espai. A la bateria d’un telèfon mòbil s’empren cel·les prismàtiques de configuració plana, que permeten ser tan fines com una targeta de crèdit i un empaquetat en forma rectangular. Això sí, empren una gestió tèrmica menys sofisticada i tenen un cicle de vida més curt. En un Kia e-Niro s’empren 294 cel·les de polímer de liti de tipus pouch o embossades, que fan un ús més eficient de l’espai (amb una eficiència d’embalatge de l’90-95%) i tenen un cicle de vida més elevat.

Adaptades al seu medi

A l’ésser el component més gran, la bateria determina el disseny d’un smartphone i d’un cotxe. En totes dues, la forma exterior de l’paquet és rectangular i plana, per adaptar-se a la forma d’un telèfon o a l’espai disponible al pis de el vehicle entre els dos eixos.

La seva grandària i pes ve determinat per un compromís entre capacitat, pes i les necessitats mitjanes dels usuaris. Després de diverses dècades d’evolució, el compromís assolit en la telefonia mòbil és que un telèfon disposi d’energia per funcionar en un ús normal, al menys, un dia sencer; amb una mida i pes que beneficiïn el disseny i la usabilitat de el dispositiu.

El compromís assolit en un automòbil és oferir una autonomia raonable dins la mida d’un cotxe convencional. El desavantatge enfront dels telèfons és que la mida d’un cotxe està més estandarditzat: els primers telèfons mòbils tenien una enorme grandària per les seves grans bateries, solució que no es pot traslladar a un automòbil. Per això les primeres generacions de cotxes elèctrics disposaven d’una autonomia molt limitada. Però l’evolució ha estat molt ràpida, com demostra la gamma de elèctrics de Kia, que ofereixen unes autonomies molt elevades: fins 452 km al Kia E Soul; fins 455 km a l’e-Niro (tots dos, amb la bateria de 64 kWh), i

fins a 510 quilòmetres el EV6 2WD amb bateria de 77,4 kWh (WLTP).

Amb tots aquests condicionants, la bateria d’un smartphone només té uns 3 mil·límetres de gruix i un pes ploma de 80 grams; mentre que la d’un Kia e-Niro pesa 445 quilos, en la versió més potent. Aquest paquet de bateries té la següent topologia o forma d’agrupar les cel·les: ocupen la part inferior de el vehicle, amb tres mòduls de cel sota dels seients davanters i dos mòduls de cel coincidint amb els seients del darrere.

La composició i densitat energètica de les seves cel·les interiors és similar (250 Wh / kg al cotxe i 246 Wh / kg al mòbil), no així la densitat de tot el paquet (143 Wh / kg al cotxe i 185 Wh / kg al mòbil). El motiu? Que la bateria d’un cotxe disposa d’un blindatge molt superior per motius de seguretat, i d’un sistema de refrigeració, que sumen pes a el conjunt.

el voltatge

Un altre aspecte diferenciador és el voltatge a què funcionen. El voltatge és la diferència de potencial entre dos punts de l’circuit necessària perquè el corrent circuli entre ells. A més voltatge, més treball es pot realitzar amb el corrent que circula entre els elèctrodes de la bateria i més energia total tindrem en ella. Utilitzant un equivalent hidràulic, el voltatge seria la pressió de l’aigua.

El voltatge d’una bateria s’adequa a el voltatge de funcionament de l’circuit electrònic que es va a alimentar, creant una arquitectura conjunta de tot el sistema. En el cas d’un smartphone, les bateries solen tenir un voltatge entre 3,7 V i 3,85 V. En un Kia e-Niro, el voltatge és de 356 V, xifra que augmenta fins als 800 V en el nou Kia EV6 .

Aquest voltatge de 356 V es genera de la següent forma. Les cel·les estan connectades de tres en tres en paral·lel. Cada paquet de tres cel·les es connecta entre si en sèrie, formant un enfilall de 98 paquets de 3 cel. Com cada paquet de tres cel·les té una tensió nominal aproximada de 3,6 volts i hi ha 98 d’ells connectats en sèrie, la tensió nominal de la bateria és de 356 volts.

Potència de càrrega

El voltatge és una de les dues variables que determina la potència de càrrega d’una bateria. Augmentant el voltatge s’aconsegueix reduir el temps d’una recàrrega sense produir molta calor ni emprar cablejats molt gruixuts. Gràcies a això, un Kia e-Niro pot recarregar el 80% de la seva capacitat amb un carregador de 100 kW a 42 minuts, xifra que es redueix a 18 minuts en un Kia EV6 amb un carregador de 350 kW. En aquest temps, la bateria de l’e-Niro és capaç d’acumular 51,2 kWh, mentre que la d’un smartphone només té la capacitat de recarregar 11,84 Wh, és a dir, 0,01184 kWh.

La importància de la refrigeració

Com explica el doctor Álvaro Caballero, “integrar totes aquestes bateries en paquets és un procés complicat, tant per al sistema de gestió de sistema elèctric, com per a la refrigeració, atès que cal mantenir les bateries a una temperatura òptima de funcionament i especialment quan es carrega el vehicle, una cosa crucial quan carreguem a carregadors ultraràpids “.

En un telèfon intel·ligent no hi ha espai físic per a un sistema de refrigeració, que també és menys necessari per la seva menor potència de càrrega. Les bateries d’un Kia e-Niro compten amb un sistema de refrigeració que les permet mantenir-se en una temperatura òptima, el que augmenta la seva capacitat, rendiment i durada. Els mòduls de bateria estan emplaçats sobre plaques de refredament que canalitzen una barreja d’aigua i glicol a través de canalitzacions. Gràcies a aquest sistema, les cel·les poden estar més pròximes entre si, el que augmenta fins a un 35 per cent la densitat energètica de la bateria i permet augmentar l’autonomia de el vehicle.

Un cotxe elèctric amb bateries de telèfon mòbil?

Després de totes aquestes explicacions, queda clar que si volguéssim fer un cotxe elèctric amb les prestacions de l’Kia e-Niro a partir de bateries convencionals de telèfons mòbils de 4.000 mAh i 3,6 volts, hauríem d’agrupar ni més ni menys que ¡4.444 bateries! A més, per aconseguir el voltatge de 356 V de l’e-Niro, caldria emprar la topologia 45p98s, és a dir, agrupar 45 bateries en paral·lel i 98 d’aquests paquets, en sèrie. I, molt important, caldria instal·lar-les en un compartiment blindat i dotar-les d’un eficaç sistema de refrigeració (que permetés les càrregues ràpides i un òptim funcionament a qualsevol temperatura exterior).