Diapositiva 1: Introducción.

            En este capítulo se desarrollan los fundamentos de las baterías de los vehículos eléctricos, porque es el componente del vehículo eléctrico más importante y valioso.

Diapositiva 2: La batería: el componente más importante del vehículo eléctrico.

            La batería es el componente más importante del vehículo eléctrico por las siguientes razones:

• Almacenamiento de la energía.

      La batería convierte la energía química almacenada en corriente eléctrica que es utilizada para hacer funcionar el motor eléctrico del vehículo, que mueve las ruedas.

• Autonomía.

            La autonomía del vehículo depende de la capacidad de almacenamiento de la batería, cuanta más capacidad de la batería más autonomía.

            Antes de adquirir un vehículo eléctrico hay que comprobar que la batería tiene la autonomía requerida para prestar el servicio.

            Hay que tener en cuenta que la autonomía real del vehículo eléctrico es menor que la oficial del ciclo WLTP.

            Se pueden realizar las siguientes estimaciones de la autonomía del vehículo eléctrico.

            A la cifra oficial del ciclo WLTP se le restan los kilómetros que se estimen basándonos en nuestra experiencia con vehículos similares.

            Existen compañías que se dedican a medir las autonomías y consumos reales de los vehículos eléctricos como Emissions Analytics y Green-NCAP.

            Tomar como referencia el dato del consumo del KWh/Km de las pruebas realizadas de las revistas especializadas del motor, y dividir la capacidad de la batería por este consumo para conocer la autonomía.

• Tiempo de recarga.

            La batería se descarga con su funcionamiento, y hay que recargarla. Durante el tiempo de recarga no podemos utilizar el vehículo si se recarga en un punto de recarga fijo, y es un tiempo en el que no podemos utilizar el vehículo para prestar el servicio.

            Normalmente en las flotas de vehículos la recarga se realiza por la noche, cuando no se presta el servicio, pero en otras flotas de vehículos es necesario que este tiempo de recarga sea el mínimo posible, para continuar prestando el servicio.

            Dependiendo del tipo de batería, el tiempo de recarga puede ser mayor o menor.

            Por ejemplo, las baterías más utilizadas funcionan a 400V, pero hay de 800V, que tardan menos tiempo en la recarga para una misma intensidad, porque la potencia de recarga es mayor.

• Precio.

            El precio de la batería es entre un 1/3 y 1/2 del valor del vehículo, por lo que es el componente más costoso.

            La batería pierde capacidad de almacenamiento con los ciclos de carga/descarga, se puede averiar, sufrir un golpe, incendiarse etc. por lo que hay que cambiarla o repararla.    

            Hay fabricantes de vehículos que permiten sustituir los módulos averiados de la batería, pero hay otros fabricantes que hay que cambiar la batería entera, en ambos casos es muy costoso la reparación o sustitución de la batería.

            Puede ocurrir que la reparación o sustitución de la batería es más costoso que el valor del vehículo en ese momento y no sea rentable realizarlo. 

• Degradación de la batería.

            La batería pierde capacidad de almacenamiento con su utilización, llegando que el vehículo no tenga la autonomía necesaria para la prestación del servicio, y por lo tanto o se cambia la batería o se adquiere un vehículo nuevo.

• Riesgo de incendio.

            El riesgo más importante en un vehículo eléctrico es que una celda se incendie y provoque el incendio de toda la batería y del vehículo.

            El incendio de la batería se puede producir por sobrecalentamiento, un golpe, corrosión etc.

• Valor residual del vehículo.

            Cuanta más degradada y menor autonomía tenga la batería, menor es el valor residual del vehículo, porque probablemente haya que cambiar la batería. 

            La tecnología de las baterías y del vehículo eléctrico evoluciona rápidamente, y la densidad energética de las baterías KWh/Kg se incrementa con el tiempo, por lo que la tecnología de nuestro vehículo se puede quedar obsoleta respecto a los nuevos vehículos eléctricos, reduciéndose su valor residual.

• Seguro.

            Actualmente las compañías aseguradoras están dando el vehículo por siniestro por la avería de la batería o porque tenga un golpe, por lo que supone una perdida del valor del vehículo considerable. 

• Consumo de la energía en la fabricación y el reciclaje.

            Las baterías en su fabricación y posterior reciclaje consumen mucha energía, que si es generada por combustibles fósiles emiten CO2, por lo que el ciclo neto de emisiones del vehículo eléctrico no es cero, si se incluye la fabricación de la batería y del vehículo.

            Algunos fabricantes están empezando a utilizar energías renovables en la fabricación y el reciclaje de la batería y el vehículo, para que el ciclo neto de emisiones sea cero. 

            Antes de adquirir un vehículo eléctrico habría que saber si el vehículo y las baterías han sido fabricados con energías renovables.

• Posteriores usos.

            Si cambiamos la batería del vehículo, podemos utilizarla como batería estacionaria en nuestras instalaciones para almacenar energía generada de energías renovables, que utilizaremos para recargar nuestros vehículos eléctricos.

Diapositiva 3: Componentes de la batería.

            Una batería es un dispositivo que almacena energía eléctrica en forma química y la libera en corriente continua.

            Todos los tipos de baterías contienen un electrodo positivo y uno negativo sumergidos en un electrolito, y el conjunto completo se encuentra encapsulado.

            Los componentes de una batería son los siguientes:

• Ánodo o electrodo negativo: La sustancia que compone el ánodo se desprende de electrones. A estas reacciones de pérdida de electrones se denominan reacciones de oxidación. 
• Cátodo o electrodo positivo: la sustancia que compone el cátodo acepta los electrones. A estas reacciones de captura de electrones se denominan reacciones de reducción. Es la reacción inversa a la oxidación.  

            Los polos alcanzan su límite cuando el cátodo queda cargado de electrones y el ánodo los pierde y se oxida totalmente.

• Electrolito: el ánodo y el cátodo están unidos en la batería por medio del electrolito. También se unen por fuera por medio de un conductor externo a través del cual solo circulan electrones que proporcionan la electricidad para el dispositivo eléctrico externo.  

            El electrolito permite el flujo de iones pero no de electrones que reequilibran la carga entre ambos lados.

            En las baterías recargables las reacciones de oxidación (ceder electrones) y reducción (captar electrones) son reversibles, pueden fluir en ambas direcciones.

§         Separador: es un aislante que se coloca entre la placa positiva y la negativa para evitar los cortocircuitos.

            El voltaje o tensión de las baterías se mide en voltios, mientras que la cantidad de electricidad que pueden almacenar, y posteriormente, suministrar al tiempo que se descargan, se mide en amperios por hora.

            El voltaje ofrecido por la batería depende de la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo. Cuanto mayor sea esta diferencia, mayor voltaje obtendremos.

Diapositiva 4: Litio I.

• Propiedades

            El litio es un elemento químico de símbolo Li, número atómico 3, univalente-una sola carga positiva en sus iones, y un elemento alcalino, además tiene un alto calor específico y potencial electroquímico.

            En su forma pura, es un metal blando, de color blanco plata, que se oxida rápidamente en aire o agua. Su densidad es la mitad de la del agua, siendo el metal y elemento sólido más ligero, blando y blanco.

            Al ser un metal alcalino es univalente y muy reactivo, por lo que no se encuentra libre en la naturaleza, y es altamente inflamable y ligeramente explosivo cuando se expone al aire y especialmente al agua.

            En la naturaleza se encuentra como una mezcla de los isótopos Li6 y Li7.

• Riesgos

            El litio puro es altamente inflamable y ligeramente explosivo cuando se expone al aire, y especialmente al agua. También es corrosivo y ligeramente tóxico, por lo que es importante manipularlo de manera adecuada para evitar el contacto con la piel.

• Disponibilidad en la naturaleza

            El litio es moderadamente abundante en la corteza terrestre, con una concentración de 65 partes por millón (ppm).

            El litio se encuentra disperso en ciertas rocas, pero nunca se encuentra libre debido a su gran reactividad. Se encuentra en pequeñas cantidades en rocas volcánicas y sales naturales, como el Salar de Atacama en Chile, que contiene el mayor yacimiento de litio del mundo, seguido del Salar de Uyuni en Bolivia.

• Usos

            El litio se utiliza en la fabricación de baterías, celulares, secantes, aleaciones, cerámica, vidrio, lubricantes y medicamentos.

• Baterías de los vehículos eléctricos

            En las baterías actuales, el litio se encuentra en pequeñas cantidades en los ánodos y cátodos de las celdas. Una batería de coche eléctrico suele tener, en promedio, unos 160 gramos de litio metálico por kilovatio-hora (kWh). Por tanto, una batería de 66 kWh tiene alrededor de unos 10 kilogramos de litio.

Diapositiva 5: Litio II.

• Electricidad.

      La electricidad es el tránsito de electrones, así que para producir electricidad se necesitan sustancias que tiendan a desprenderse de ellos.

• Potencial de reducción

      El potencial estándar de reducción se utiliza para determinar el potencial electroquímico o el potencial de un electrodo de una celda electroquímica o de una celda galvánica.

      El litio es el metal con menor potencial de reducción (-3,05V).

      Esto significa que es el elemento químico que más tendencia tiene a desprender electrones.

Diapositiva 6: Litio III.

• Número atómico 3.

El Litio tiene un número atómico 3.

      Tiene 3 electrones, dos en la primera capa, y un electrón de valencia, que es el que tiende a desprenderse, quedándose cargado positivamente.

      Se representa como Li+ y se denomina ion litio. De ahí que las baterías de litio también se llamen baterías de ion-litio.

• Ventajas y desventajas de ceder electrones. 

      Cede electrones a cualquiera, siendo un metal muy inestable, que se oxida rápidamente en contacto con el aire, y que en contacto con el agua reacciona de forma violenta.

Diapositiva 7: Funcionamiento de la batería de Ion-Litio.

• Composición

      Las baterías de ion litio tienen un cátodo de óxido de cobalto, y un ánodo de un material similar al grafito denominado coque.

      Tanto el cátodo como en el ánodo tienen una disposición laminar en la que pueden albergar al litio.

            El litio puro es una material muy reactivo, pero cuando forma parte de un óxido metálico es bastante estable.

      El óxido de cobalto se recubre sobre laminas de aluminio y el grafito sobre laminas de cobre actuando como colectores de corriente en las que se instala las lenguetas positiva y negativa. 

            El ánodo que contiene el grafito tiene una estructura en capas, donde se almacenan los iones de litio.

            El electrolito entre el grafito y el óxido de metal (óxido de cobalto), actúa como un protector que solo permite el paso de iones de litio.

            Los problemas de seguridad, durabilidad y buen funcionamiento a temperaturas críticas se deben al electrolito líquido.

            A altas temperaturas, es el responsable de propagar la fuga térmica que puede acabar incendiando una batería. A bajas temperaturas, este líquido comienza a congelarse, perdiéndose toda la capacidad de generar electricidad. En muchas ocasiones, esta condición limita severamente la efectividad del proceso de carga de los vehículos eléctricos, lo que supone un gran problema en las regiones más frías.

            En las baterías de iones de litio actuales, el electrolito es una mezcla de una sal ampliamente disponible (hexafluorofosfato de litio) y solventes como el carbonato de etileno, encargados de disolver la sal para formar un líquido.

      El electrolito, el separador y las lenguetas se enrollan alrededor de un núcleo central de acero haciendo que la celda sea más compacta.

      Una celda utilizada en los vehículos actuales tiene entre 3-4,2 voltios.

      El litio viaja del cátodo a ánodo o de ánodo a cátodo a través del electrolito según el ciclo de carga o descarga.

      Los electrones, en cambio, circulan a través de un circuito externo, suministrando la electricidad al motor eléctrico del vehículo.

Diapositiva 8: Funcionamiento de la batería de Ion-Litio.

Funcionamiento.

• Recarga: cuando se conecta la batería para su recarga como la red eléctrica, en el cátodo se desprenden los electrones de los átomos de litio del óxido del metal, fluyendo por el circuito externo hacia el ánodo, porque no pueden fluir a través del electrolito, alcanzando la capa de grafito donde se almacenan. Los iones de litio cargados positivamente fluyen del cátodo al ánodo a través del electrolito y quedan depositados en el grafito
• Cuando todos los átomos de litio llegan al grafito la celda está completamente cargada.
• La batería almacena energía en este proceso porque el potencial electroquímico del grafito es más elevado que el del óxido de cobalto-litio. Esto quiere decir que los iones de litio han tenido que subir desde el potencial del cátodo hasta el potencial del ánodo.

Diapositiva 9: Funcionamiento de la batería de Ion-Litio.

• Descarga: cuando el motor del vehículo demanda electricidad de la batería, como los iones de litio en el grafito están a un potencial electroquímico más alto que en el óxido de cobalto-litio, caen desde el potencial del ánodo al potencial del cátodo.
• Los iones de litio quieren volver a su estado estable como parte del óxido de metal del cátodo, por lo que los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo atravesando el electrolito, y los electrones por el circuito externo obteniendo una corriente eléctrica que alimenta de electricidad el motor del vehículo.
• Cuando todos los iones de litio llegan al cátodo, la batería está completamente descargada.

Diapositiva 10: Funcionamiento de la batería de Ion-Litio.

            El grafito no interviene en la reacción química, es solo un medio para el almacenamiento de iones de litio.

            Si la temperatura interna aumenta por alguna condición anormal como una recarga a alta potencia, el electrolito líquido se secará y habrá un cortocircuito entre el ánodo y el cátodo, provocando un incendio o una explosión. 

            El número de ciclos de carga y descarga de una batería de ion-litio es unos 3.000.

            El electrolito se degrada si los electrones depositados en el grafito entran en contacto, pero nunca ocurre por la interfaz de electrolito sólido.

            Cuando se carga la batería por primera vez, los iones de litio se mueven a través del electrolito, las moléculas de disolvente del electrolito cubren los iones de litio, cuando llegan al grafito los iones de litio junto a las moléculas de disolvente reaccionan con el grafito formando una capa llamada interfaz de electrolito sólido (IES), previniendo cualquier contacto entre los electrones y el electrolito evitando su degradación. 

            En el proceso de formación de la capa de IES se consume el 5% del litio. El grosor de la capa de IES está optimizado para obtener el máximo rendimiento de la celda.