Una batería de vehículo eléctrico es una batería recargable que se utiliza para alimentar los motores eléctricos de un vehículo eléctrico de batería (BEV) o un vehículo eléctrico híbrido (HEV).
Por lo general, son baterías de iones de litio diseñadas para una alta relación potencia-peso y densidad de energía . 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 aumento y alcanzará una cuota de mercado mundial del 41 % por capacidad para BEV en 2023. [1] : 85 baterías LFP son más pesadas pero más baratas y más sostenibles. Al mismo tiempo, los primeros turismos comerciales utilizan una batería de iones de sodio (Na-ion), evitando por completo la necesidad de minerales críticos. [2]
La batería constituye una parte importante del coste y del impacto medioambiental de un vehículo eléctrico. El crecimiento de la industria ha generado interés en asegurar cadenas de suministro de baterías éticas , lo que presenta muchos desafíos y se ha convertido en una cuestión geopolítica importante. En diciembre de 2019 [actualizar], el costo de las baterías de los vehículos eléctricos ha caído un 87% desde 2010 por kilovatio-hora. [3]
La demanda de EVB superó los 750 GWh en 2023. [1] Los EVB tienen capacidades mucho mayores que las baterías de automóvil utilizadas para el arranque, la iluminación y el encendido (SLI) en los coches de combustión. La capacidad promedio 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]
A partir de 2024, la batería de iones de litio (LIB) con las variantes Li-NMC, LFP y Li-NCA dominará el mercado de BEV. La capacidad de producción global combinada en 2023 alcanzó casi 2000 GWh, de los cuales 772 GWh se utilizaron para vehículos eléctricos en 2023. La mayor parte de la producción se realiza en China, donde las capacidades aumentaron un 45 % ese año. [1] : 17 Con su alta densidad de energía y su largo ciclo de vida, las baterías de iones de litio se han convertido en el tipo de batería líder para uso en vehículos eléctricos. Inicialmente fueron desarrollados y comercializados para su uso en computadoras portátiles y electrónica de consumo. Los vehículos eléctricos recientes están utilizando nuevas variaciones de la química de iones de litio que sacrifican energía y potencia específicas para proporcionar resistencia al fuego, respeto al medio ambiente, carga rápida y una vida útil más larga. Se ha demostrado que estas variantes tienen una vida útil mucho más larga.
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 provoca problemas medioambientales. La desventaja de las baterías NMC tradicionales incluye la sensibilidad a la temperatura, el rendimiento energético a bajas temperaturas y la 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 tradicionales de iones de litio representan un riesgo de incendio si se perforan o se cargan incorrectamente. Las primeras celdas no aceptaban ni suministraban carga cuando hacía mucho frío. En algunos climas se pueden utilizar calentadores para calentarlos.
La batería de fosfato de hierro y litio tiene una autonomía más corta 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 de la red .
Las baterías de titanato de litio u óxido de litio y 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 un ciclo de vida impresionante, 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]
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, diversos fabricantes chinos comenzaron con la entrega de sus primeros modelos. [2] Los analistas ven un gran potencial para este tipo, especialmente para su uso en vehículos eléctricos pequeños, bicicletas y vehículos de tres ruedas. [32]
Se están desarrollando varios tipos.
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 alimentaron los primeros vehículos eléctricos modernos, como las versiones originales de 1996 del EV1 . Hay dos tipos principales de baterías de plomo-ácido: baterías de arranque de motores de automóviles y baterías de ciclo profundo que proporcionan electricidad continua para hacer funcionar vehículos eléctricos como montacargas o carritos de golf. [33] Las baterías de ciclo profundo también se utilizan como baterías auxiliares en vehículos recreativos, pero requieren una carga diferente y en varias etapas. Una descarga inferior al 50% puede acortar la vida útil de la batería. [34] Las baterías inundadas requieren inspección de los niveles de electrolitos y reemplazo ocasional de agua, que se desprende durante el ciclo de carga normal. Los vehículos eléctricos con baterías de plomo-ácido son capaces de recorrer hasta 130 km (81 millas) por carga.
Las baterías de hidruro metálico de níquel se consideran una tecnología madura . [35] Si bien son menos eficientes (60–70%) en la carga y descarga que incluso el plomo-ácido, tienen una energía específica más alta de 30–80 W·h/kg. Cuando se usan correctamente, las baterías de hidruro metálico de níquel pueden tener una vida útil excepcionalmente larga, como se ha demostrado en su uso en automóviles híbridos y en los vehículos eléctricos NiMH Toyota RAV4 de primera generación que se conservan y que aún funcionan mucho después de 100.000 millas (160.000 km) y más de un año. década de servicio. Las desventajas incluyen ciclos de carga complicados y bajo rendimiento en climas fríos. [ cita necesaria ] GM Ovonic produjo la batería NiMH utilizada en la segunda generación del EV-1. [36] Los prototipos de vehículos eléctricos NiMH entregaron hasta 200 km (120 millas) de alcance.
La batería de cloruro de sodio y níquel o "Zebra" se utilizó en los primeros vehículos eléctricos entre 1997 y 2012. Utiliza una sal de cloroaluminato de sodio (NaAlCl 4 ) fundida 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 mucho su funcionamiento, excepto por el aumento de los costos de calefacción. Las baterías Zebra pueden durar unos miles de ciclos de carga y no son tóxicas. Las desventajas de la batería Zebra incluyen una potencia específica deficiente (<300 W/kg) y la necesidad de calentar el electrolito a aproximadamente 270 °C (518 °F), lo que desperdicia algo de energía, presenta dificultades en el almacenamiento de carga a largo plazo, y es potencialmente un peligro. [37]
Otros tipos de baterías recargables utilizadas en los primeros vehículos eléctricos incluyen
Serie CTx:
Durante la primera etapa, los materiales [42] se extraen en diferentes partes del mundo. Todos los pasos siguientes están actualmente dominados por China. Una vez que los materiales son refinados en fábricas de preprocesamiento, las empresas de fabricación de baterías los compran, fabrican baterías y las ensamblan en paquetes. Las empresas de fabricación de automóviles los compran e instalan en los automóviles.
Hay principalmente tres etapas durante el proceso de fabricación de baterías para vehículos eléctricos: fabricación de materiales, fabricación de celdas e integración, como se muestra en el gráfico del proceso de fabricación de baterías para vehículos eléctricos en color gris, verde y naranja, respectivamente. Este proceso mostrado no incluye la fabricación de hardware de celda, es decir, carcasas y colectores de corriente. Durante el proceso de fabricación de materiales, primero se mezclan el material activo, los aditivos de conductividad, el aglutinante polimérico y el disolvente. Después de esto, se recubren sobre los colectores de corriente listos para el proceso de secado. Durante esta etapa, los métodos para fabricar materiales activos dependen del electrodo y de la química.
Los cátodos utilizan principalmente óxidos de metales de transición, es decir, óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto (Li-NMC), o también fosfatos de litio metálico, es decir, fosfatos de litio y hierro (LFP). El material más popular para los ánodos es el grafito. Sin embargo, recientemente muchas empresas han comenzado a fabricar ánodos mixtos de Si (Sila Nanotech, ProLogium ) y ánodos de metal Li (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. discutimos la fabricación de materiales con mayor detalle. [43]
En la etapa de fabricación de la celda, el electrodo preparado se procesará hasta darle la forma deseada para envasarlo en formato cilíndrico, rectangular o de bolsa. Luego, después de llenar los electrolitos y sellar las celdas, las celdas de la batería se ciclan cuidadosamente para formar SEI que protege el ánodo. Luego, estas baterías se ensamblan en paquetes listos para la integración en el vehículo.
Cuando un paquete de baterías de vehículos eléctricos se degrada entre un 70 % y un 80 % de su capacidad original, se considera que llega al final de su vida útil. Uno de los métodos de gestión de residuos es la reutilización del paquete. Al reutilizar el paquete para almacenamiento estacionario, se puede extraer más valor del paquete de baterías y al mismo tiempo reducir el impacto del ciclo de vida por kWh.
La degradación desigual y no deseada de la batería ocurre durante el funcionamiento del vehículo eléctrico, dependiendo de la temperatura durante el funcionamiento y de los patrones de carga/descarga. Cada celda de la batería podría degradarse de manera diferente durante el funcionamiento. Actualmente, la información del estado de salud (SOH) de un sistema de gestión de batería (BMS) se puede extraer a nivel de paquete, pero no a nivel de celda. Los ingenieros pueden mitigar la degradación diseñando el sistema de gestión térmica de próxima generación. Se puede utilizar espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) para garantizar la calidad del paquete de baterías. [44] [45]
Desmontar módulos y celdas es costoso y requiere mucho tiempo. El módulo debe estar completamente descargado. Luego, el paquete debe desmontarse y reconfigurarse para cumplir con los requisitos de potencia y energía de la aplicación de segunda vida. Una empresa de restauración puede vender o reutilizar la energía descargada del módulo para reducir el coste de este proceso. Se están utilizando robots para aumentar la seguridad del proceso de desmantelamiento. [44] [46]
La tecnología de las baterías no es transparente y carece de estándares. Dado que el desarrollo de baterías es la parte central de los vehículos eléctricos, al fabricante le resulta difícil etiquetar la química exacta del cátodo, el ánodo y los electrolitos en el paquete. Además, la capacidad y el diseño de las celdas y paquetes cambian anualmente. La empresa de restauración debe trabajar estrechamente con el fabricante para tener una actualización oportuna de esta información. Por otro lado, el gobierno puede establecer normas de etiquetado. [44]
Por último, los costos de la batería han disminuido más rápido de lo previsto. La unidad reacondicionada puede resultar menos atractiva para el mercado que las baterías nuevas. [44]
No obstante, ha habido varios éxitos en la aplicación de segunda vida, como se muestra en los ejemplos de proyectos de almacenamiento que utilizan baterías de vehículos eléctricos de segunda vida. Se utilizan en aplicaciones de almacenamiento estacionario menos exigentes como reducción de picos o almacenamiento adicional para fuentes de generación renovables. [44]
Aunque la vida útil de la batería se puede ampliar habilitando una aplicación de segunda vida, 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 reciclaron el 5% de las baterías de vehículos eléctricos. [47] Sin embargo, cerrar el círculo es extremadamente importante. No sólo por la escasez prevista de níquel, cobalto y litio en el futuro, sino que también el reciclaje de baterías de vehículos eléctricos tiene el potencial de maximizar el beneficio medioambiental. Xu et al. predijo 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. [48] Ciez y Whitacre descubrieron que mediante el reciclaje de baterías se podrían evitar algunas emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) procedentes de la minería. [49]
Las tecnologías BEV carecen de un marco de reciclaje establecido en muchos países, lo que hace que el uso de BEV y otros equipos eléctricos que funcionan con baterías constituya un gran gasto de energía y, en última instancia, aumenta las emisiones de CO 2 , especialmente en países que carecen de recursos de energía renovable. [50]
Ha habido muchos esfuerzos en todo el mundo para promover el desarrollo y la implementación de tecnologías de reciclaje. En los EE. UU., las Oficinas de Tecnologías de Vehículos Energéticos (VTO) establecieron dos esfuerzos dirigidos a la innovación y la viabilidad de los procesos de reciclaje. El centro ReCell Lithium Recycling RD reúne a tres universidades y tres laboratorios nacionales para desarrollar tecnologías de reciclaje innovadoras y eficientes. En particular, el método de reciclaje directo de cátodo fue desarrollado por el centro ReCell. Por otro lado, VTO también creó el premio al reciclaje de baterías para incentivar a los empresarios estadounidenses a encontrar soluciones innovadoras para resolver los desafíos actuales. [51]
El reciclaje de baterías para vehículos eléctricos ayuda a recuperar materiales valiosos como litio, cobalto, níquel y metales de tierras raras, lo que reduce la necesidad de nuevas actividades mineras y conserva los recursos naturales, y reduce la huella ambiental asociada con la producción de baterías al minimizar los impactos de la minería, el consumo de energía y Emisiones de gases de efecto invernadero. [ cita necesaria ]
Para desarrollar una comprensión más profunda del ciclo de vida de las baterías de vehículos eléctricos, es importante analizar las emisiones asociadas con las diferentes fases. Utilizando celdas cilíndricas NMC como ejemplo, Ciez y Whitacre descubrieron que se emiten alrededor de 9 kg de CO 2 por kg de batería - 1 durante el preprocesamiento de materias primas y la fabricación de baterías en la red eléctrica promedio de EE. UU. La mayor parte de las emisiones provino de la preparación de materiales y representó más del 50% de las emisiones. Si se utiliza una celda de bolsa NMC, la emisión total aumenta a casi 10 kg de CO 2 y kg de batería - 1, mientras que la fabricación de materiales sigue contribuyendo a más del 50% de las emisiones. [49] Durante la fase de gestión del final de su vida útil, el proceso de restauración 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 los gráficos a y c de emisiones de reciclaje de baterías, la emisión del proceso de reciclaje varía con los diferentes procesos de reciclaje, la diferente química y el diferente factor de forma. Por lo tanto, la emisión neta evitada en comparación con no reciclar también varía con estos factores. De un vistazo, como se muestra en los gráficos byd, el proceso de reciclaje directo es el proceso más ideal para reciclar baterías de 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 con confianza el mejor enfoque. Vale la pena señalar que para la química de los fosfatos de hierro y litio (LFP), el beneficio neto es negativo. Debido a que las células LFP carecen de cobalto y níquel, cuya producción es costosa y consumen mucha energía, su extracción es más eficiente energéticamente. En general, además de promover el crecimiento de un solo sector, debería realizarse un esfuerzo más integrado para reducir las emisiones durante el ciclo de vida de las baterías de vehículos eléctricos. Un suministro total finito de tierras raras aparentemente puede justificar la necesidad de reciclarlo. Pero el beneficio ambiental del reciclaje necesita un examen más detenido. Según la tecnología de reciclaje actual, el beneficio neto del reciclaje depende de los factores de forma, la química y el proceso de reciclaje elegido.
Se estima que la transición a los vehículos eléctricos requerirá 87 veces más que en 2015 de metales específicos para 2060 que deben extraerse inicialmente, y el reciclaje cubrirá parte de la demanda en el futuro. [52] Según el estudio de 2021 de la AIE, los suministros de minerales deben aumentar de 400 kilotones en 2020 a 11.800 kilotones en 2040 para cubrir la demanda de 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 el impacto significativo en el clima [ necesita cotización para verificar ] y el medio ambiente como resultado de un aumento tan grande en las operaciones mineras. [53] 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, [54] lo que ahorraría cientos de veces más materia prima que la utilizada para fabricar las baterías. [55]
Los costos promedio de las baterías han caído un 90% desde 2010 debido a los avances en la química y la fabricación de las baterías. [6] : 3 Las baterías representan una parte sustancial del coste total de un vehículo eléctrico y, a menudo, representan hasta el 30-40 % del precio total del vehículo. Sin embargo, el costo de las baterías de los vehículos eléctricos ha ido 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. Las baterías de vehículos eléctricos suelen tener garantías que cubren una determinada cantidad de años o millas, lo que refleja la confianza en su durabilidad y confiabilidad a lo largo del tiempo. [ cita necesaria ]
Una cuestión es el precio de compra y la otra es el coste total de propiedad. El coste total de propiedad de los coches eléctricos suele ser menor que el de los coches de gasolina o diésel. [57] En 2024, Gartner predijo que para 2027, los BEV de próxima generación serán, en promedio, más baratos de producir que un ICE comparable“. [58] En China, los BEV son ahora más baratos que los coches de combustión comparables. [59] El desarrollo está impulsado por los subsidios en el mercado chino. Los EE.UU. protegen a sus propios fabricantes con aranceles , algo que se debate en la UE. Esto puede retrasar la paridad de costos.
El peso de la batería del vehículo eléctrico es el factor limitante para alcanzar la paridad de autonomía. El diésel y la gasolina tienen una densidad energética 50 veces mayor que la de las baterías de vehículos eléctricos actuales. Esto no puede compensarse con una mayor eficiencia de los vehículos eléctricos.
Las baterías típicas de vehículos eléctricos en turismos tienen un peso de 300 a 1000 kg (660 a 2200 lb) [61], lo que da como resultado un alcance de 150 a 500 km (90 a 310 millas), dependiendo de la temperatura, el estilo de conducción y el tipo de automóvil.
Incluso con la misma autonomía que un vehículo de combustión normal, los compradores deben tener la seguridad de que existen estaciones de carga compatibles y ampliamente disponibles para sus vehículos. [62]
A partir de 2024, [actualizar]la autonomía de los barcos eléctricos y de los grandes aviones será menor que la de los de motor de combustión. Para electrificar todo el transporte marítimo se necesita una carga estandarizada de varios megavatios. [63] Pero a veces las baterías se pueden cambiar, por ejemplo para el transporte fluvial. [64] A partir de 2024, [actualizar]no se espera que dentro de una década los aviones grandes puramente eléctricos alcancen una autonomía de más de 1.000 km, lo que significa que para más de la mitad de los vuelos programados no se puede lograr la paridad de autonomía. [sesenta y cinco]
Los diseños de paquetes de baterías para vehículos eléctricos (EV) son complejos y varían ampliamente según el fabricante y la aplicación específica. Sin embargo, todos incorporan una combinación de varios sistemas de componentes mecánicos y eléctricos simples que realizan las funciones básicas requeridas del paquete. [ cita necesaria ]
Las celdas de batería reales pueden tener diferentes químicas, formas físicas y tamaños según lo prefieran los distintos fabricantes de paquetes. Los paquetes de baterías siempre incorporarán muchas celdas discretas conectadas en serie y en paralelo para lograr los requisitos totales de voltaje y corriente del paquete. Los paquetes de baterías para todos los vehículos eléctricos de propulsión eléctrica pueden contener varios cientos de celdas individuales. Cada celda tiene un voltaje nominal de 3-4 voltios , dependiendo de su composición química. [ cita necesaria ]
Para ayudar en la fabricación y el ensamblaje, la gran pila de celdas generalmente se agrupa en pilas más pequeñas llamadas módulos. Varios de estos módulos se colocan en un solo paquete. Dentro de cada módulo, las celdas están soldadas entre sí para completar el camino eléctrico para el flujo de corriente. Los módulos también pueden incorporar mecanismos de enfriamiento, monitores de temperatura y otros dispositivos. Los módulos deben permanecer dentro de un rango de temperatura específico para un rendimiento óptimo. [66] En la mayoría de los casos, los módulos también permiten monitorear el voltaje producido por cada celda de la batería en la pila mediante el uso de un sistema de gestión de batería (BMS). [67]
La pila de celdas de la batería tiene un fusible principal que limita la corriente del paquete en caso de cortocircuito. Se puede quitar un "enchufe de servicio" o una "desconexión de servicio" para dividir la pila de baterías en dos mitades eléctricamente aisladas. Con el enchufe de servicio retirado, los terminales principales expuestos de la batería no presentan ningún peligro eléctrico potencial alto para los técnicos de servicio. [67] [68]
El paquete de baterías también contiene relés o contactores que controlan la distribución de la energía eléctrica del paquete de baterías a los terminales de salida. En la mayoría de los casos, habrá un mínimo de dos relés principales que conectan la pila de celdas de la batería a los principales terminales de salida positivo y negativo del paquete, que luego suministran alta corriente al motor de accionamiento eléctrico. Algunos diseños de paquetes incluyen rutas de corriente alterna para precargar el sistema de transmisión a través de 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. [67] [68]
El paquete de baterías también contiene una variedad de sensores de temperatura, voltaje y corriente. La recopilación de datos de los sensores del paquete y la activación de los relés del paquete se logran mediante la unidad de monitoreo de batería (BMU) o BMS del paquete. El BMS también es responsable de las comunicaciones con el vehículo fuera del paquete de baterías. [67]
Las baterías de los BEV deben recargarse periódicamente. Los BEV se cargan desde la red eléctrica de casa o mediante un punto de recarga . La energía se genera a partir de una variedad de recursos nacionales, como el carbón , la hidroelectricidad , la energía nuclear , el gas natural , los paneles de células solares fotovoltaicas y la energía eólica .
Con fuentes de alimentación adecuadas, normalmente se logra una buena vida útil de la batería a velocidades de carga que no superan la mitad de la capacidad de la batería por hora ("0,5 C"), [69] por lo que se necesitan dos o más horas para una carga completa, pero se necesita una carga más rápida. Disponible incluso para baterías de gran capacidad. [70]
El tiempo de carga en casa está limitado por la capacidad del tomacorriente doméstico , a menos que se realicen trabajos de cableado eléctrico especializados. En EE. UU., Canadá, Japón y otros países con electricidad de 120 V, un tomacorriente doméstico normal produce 1,5 kilovatios . En otros países con electricidad de 230 V se pueden entregar entre 7 y 14 kilovatios (230 V monofásico y 400 V trifásico, respectivamente). En Europa, la conexión a la red de 400 V (trifásica 230 V) es cada vez más popular, ya que las casas más nuevas no tienen conexión de gas natural debido a las normas de seguridad de la Unión Europea. [ cita necesaria ]
Nuevos datos han demostrado que la exposición al calor y el uso de carga rápida promueven la degradación de las baterías de iones de litio más que el tiempo 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 se degradará dos veces más rápido que la batería de un Tesla, porque el Leaf no tiene un sistema de enfriamiento activo para su batería. [71]
Con una recarga rápida, la preocupación por la autonomía limitada pierde relevancia. Existe una creciente red de carga de vehículos eléctricos [73] con potencias de CC de 150 kW y más que pueden sumar hasta 300 km de autonomía en un descanso típico de 20 minutos. El consumo máximo de energía depende del modelo de vehículo eléctrico. En 2024, las potencias típicas de carga rápida oscilaban entre 30 y 80 kW. La carga disminuye cuando la batería se llena. [72] La carga en casa o en estaciones de carga más pequeñas utilizando corriente alterna suele tardar varias horas.
La energía de carga se puede conectar al automóvil de dos maneras. La primera es una conexión eléctrica directa conocida como acoplamiento conductor . Esto podría ser tan simple como conectar la red eléctrica a un enchufe resistente a la intemperie a través de cables especiales de alta capacidad con conectores para proteger al usuario de altos voltajes . El estándar moderno para la carga de vehículos enchufables es el conector conductor SAE 1772 (IEC 62196 tipo 1) en EE. UU. La ACEA ha elegido el VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Tipo 2) para su implementación en Europa, lo que, sin pestillo, implica requisitos de energía adicionales innecesarios para el mecanismo de bloqueo. [ cita necesaria ]
El segundo enfoque se conoce como carga inductiva . Se inserta una 'paleta' especial en una ranura del automóvil. La paleta es un devanado de un transformador , mientras que el otro está integrado en el automóvil. Cuando se inserta la paleta, se completa un circuito magnético que proporciona 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 enfoque inductivo es que no hay posibilidad de electrocución ya que no hay conductores expuestos, aunque los enclavamientos, los conectores especiales y los detectores de falla a tierra pueden hacer que el acoplamiento conductor sea casi igual de seguro. La carga inductiva también puede reducir el peso del vehículo, al retirar más componentes de carga. [74] Un defensor de la carga inductiva de Toyota sostuvo en 1998 que las diferencias generales de costos eran mínimas, mientras que un defensor de la carga conductiva de Ford sostuvo que la carga conductiva era más rentable. [74]
En junio de 2024 [actualizar], había más de 200.000 ubicaciones y 400.000 estaciones de carga de vehículos eléctricos en todo el mundo. [75]
La autonomía de un BEV depende de la cantidad y el tipo de baterías utilizadas. El peso y el tipo de vehículo, así como el terreno, el clima y el rendimiento del conductor también influyen, al igual que lo hacen en el kilometraje de los vehículos tradicionales . El rendimiento de la conversión de un vehículo eléctrico depende de varios factores, incluida la química de la batería. Los vehículos eléctricos equipados con baterías de iones de litio proporcionan entre 320 y 540 km (200 y 340 millas) de autonomía por carga. [76]
La resistencia interna de algunas baterías puede aumentar significativamente a bajas temperaturas [77], lo que puede causar una reducción notable en la autonomía del vehículo y en la vida útil de la batería.
Con un sistema de CA o un sistema de CC avanzado, el frenado regenerativo puede ampliar el alcance hasta en un 50 % en condiciones de tráfico extremas sin detenerse por completo. Por lo demás, la autonomía se amplía entre un 10 y un 15% en ciudad y sólo de forma insignificante en carretera, dependiendo del terreno. [ cita necesaria ]
Los BEV (incluidos autobuses y camiones) también pueden utilizar remolques de grupos electrógenos y remolques empujadores para ampliar su alcance cuando lo deseen sin el peso adicional durante el uso normal de corto alcance. Los remolques cesta descargados se pueden sustituir en el camino por otros recargados. Si se alquila, los costes de mantenimiento se pueden aplazar a la agencia.
La capacidad de la batería auxiliar transportada en remolques puede aumentar la autonomía general del vehículo, pero también aumenta la pérdida de potencia derivada de la resistencia aerodinámica , aumenta los efectos de transferencia de peso y reduce la capacidad de tracción .
Una alternativa a la recarga es cambiar las baterías agotadas o casi agotadas (o módulos extensores de autonomía de la batería ) por baterías completamente cargadas. Esto se llama cambio de batería y se realiza en estaciones de intercambio . [78]
Las características de las estaciones de intercambio incluyen: [79]
Las preocupaciones sobre las estaciones de intercambio incluyen:
La red inteligente permite a los BEV suministrar energía a la red en cualquier momento, especialmente:
Las cuestiones de seguridad de los vehículos eléctricos de batería se tratan en gran medida en la norma internacional ISO 6469. Esta norma se divide en tres partes:
Los bomberos y el personal de rescate reciben capacitación especial para lidiar con los voltajes más altos y los químicos que se encuentran en los accidentes de vehículos eléctricos e híbridos. Si bien los accidentes de BEV pueden presentar problemas inusuales, como incendios y humos resultantes de la descarga rápida de la batería, muchos expertos coinciden en que las baterías de BEV son seguras en vehículos disponibles comercialmente y en colisiones traseras, y son más seguras que los automóviles propulsados por gasolina con tanques de gasolina traseros. . [82]
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 trenes de transmisión de vehículos eléctricos de batería (BEV), vehículos eléctricos híbridos (HEV) y vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) según las especificaciones requeridas de los fabricantes de automóviles ( OEM ). Durante estos ciclos de conducción, se puede realizar un enfriamiento controlado de la batería, simulando las condiciones térmicas del coche.
Además, las cámaras climáticas controlan las condiciones ambientales durante las pruebas y permiten la simulación de todo el rango de temperatura y las condiciones climáticas del automóvil. [33]
Las patentes pueden utilizarse para impedir el desarrollo o la implementación de tecnología de baterías. Por ejemplo, las patentes relevantes para el uso de celdas de hidruro metálico de níquel en automóviles estaban en manos de una filial de Chevron Corporation , una compañía petrolera, que mantenía poder de veto sobre cualquier venta o concesión de licencias de tecnología NiMH. [83] [84]
A partir de diciembre de 2019, está previsto invertir miles de millones de euros en investigación en todo el mundo para mejorar las baterías. [85] [86]
Los investigadores han propuesto algunas consideraciones de diseño para cargadores BEV sin contacto. Los sistemas de transferencia de energía acoplados inductivamente (ICPT) están diseñados para transferir energía de manera eficiente desde una fuente primaria (estación de carga) a una o más fuentes secundarias (BEV) sin contacto mediante acoplamiento magnético. [87]
Europa tiene planes de realizar grandes inversiones en el desarrollo y la producción de baterías para vehículos eléctricos, e Indonesia también pretende 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. [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95]
Los condensadores eléctricos de doble capa (o "ultracondensadores") se utilizan en algunos vehículos eléctricos, como el prototipo conceptual de AFS Trinity, para almacenar energía rápidamente disponible con su alta potencia específica, con el fin de mantener las baterías dentro de límites seguros de calentamiento resistivo y extender su vida útil. . [96] [97]
Dado que los ultracondensadores disponibles comercialmente tienen una energía específica baja, ningún coche eléctrico de producción utiliza ultracondensadores exclusivamente.
En enero de 2020, Elon Musk , director ejecutivo de Tesla , afirmó que los avances en la tecnología de baterías de iones de litio han hecho que los ultracondensadores sean innecesarios para los vehículos eléctricos. [98]
El 2 de mayo de 2022, el presidente Biden anunció que la administración iniciará un plan de 3.160 millones de dólares para impulsar la fabricación nacional y el reciclaje de baterías, en un esfuerzo mayor por hacer que el país pase de los automóviles a gasolina a los vehículos eléctricos. El objetivo de la administración Biden es que la mitad de la producción de automóviles de Estados Unidos sea eléctrica para 2030. [99]
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 al consumidor de 7.500 dólares para vehículos eléctricos con baterías fabricadas en Estados Unidos y subsidios para plantas de vehículos eléctricos. En octubre de 2022, se habían anunciado inversiones de miles de millones de dólares para más de dos docenas de plantas de baterías en EE. UU., lo que llevó a algunos comentaristas a apodar al Medio Oeste como el "cinturón de baterías". [100] [101]
Capítulo de conversión de vehículos eléctricos: tecnologías en Wikilibros
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