RETO SIN RESOLVER: LA ESQUIVA CARGA por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Cada vez más la sociedad está más sensibilizada a valorar la negativa incidencia ambiental de los combustibles fósiles. Los vehículos híbridos son un buen ejemplo de las preferencias cambiantes de una sociedad que, en general, está preocupada por el cambio climático en ciernes y la incidencia antropogénica en su aceleración. Los problemas derivados del consumo de combustibles fósiles por los motores de combustión interna, son cada vez mas graves y numerosos, dado que el ritmo de crecimiento de la población es muy notorio. De ahí que se perciba, cada vez con mayor nitidez, la necesidad de investigar y desarrollar baterías para emplearlas en vehículos eléctricos e híbridos.

 

Hay una necesidad apremiante de reducir la producción de los gases de efecto invernadero, incluso de reducir la contaminación acústica. Las cifras son tremendas: el transporte aporta un 23% de los gases de efecto invernadero y el sector industrial ocupa el segundo lugar. La declaración de París de 2015 llamaba a la acción sobre la electromovilidad y el cambio climático, pretendiendo reducir el calentamiento global en más de 2 grados. Una forma de dar cumplimiento a esta pretensión es lograr que los vehículos eléctricos alcancen un 35% del número de vehículos en 2030. Las leyes del mercado son inapelables en el ámbito económico e introducen en el escenario el precio de compra de los vehículos, ya que si no se sitúan en torno al precio de los actuales motores de combustión interna, simplemente… no los desplazarán. El elemento más determinante del precio de un vehículo eléctrico es la batería, dado que se sitúa entre un 25 y un 50% del precio del vehículo, en función de la tecnología que usen. Hay pues, una exigencia de bajar el precio de coste de las baterías antes de 2025. Los expertos lo sitúan en torno a unos 225 euros por kilovatio. Esto es lo que nivela el precio resultante de los vehículos con los actuales de combustión.

 

Los costes de producción de las baterías de ion litio han disminuido en torno a un 50% entre 2007 y la actualidad, en función de la capacidad de la batería. Las baterías de ión litio son actualmente la tecnología más empleada en vehículos eléctricos, gracias a la elevada densidad de energía y al incremento de potencia por unidad de masa de la batería, lo que permite desarrollar baterías con poco peso y dimensiones y hacerlo a un precio competitivo. Las potencias de las baterías han ido aumentando desde 800 vatios hasta 2000 vatios por kilogramo y las energías que suministran han pasado de 100 vatios-hora por kilogramo a 250 vatios-hora por kilogramo. Es esta la tecnología que supone una más óptima relación carga  –  peso.

 

En contraposición, las baterías de Ni-hidruro metálico se ven desplazadas por las de litio en los vehículos eléctricos porque, además de las ventajas energéticas, de rendimiento y eficacia no presentan efecto memoria, según el cual se va perdiendo gradualmente la capacidad máxima de energía conforme se va recargando repetidamente sin efectuar una descarga total. Es decir, que las baterías de ión Litio tienen un ciclo de vida mayor y resultan, por ello, ventajosas.

 

La desventaja de las baterías de ion litio se concreta en que requieren una elevada temperatura de trabajo, que puede afectar tanto a su tiempo de vida como en la propia explotación. Esto implica que la explotación de estas baterías requieren una gestión para controlar la temperatura interna. Por otro lado, también incide negativamente en el coste de fabricación, el reciclado de las mismas y la infraestructura de recarga.

 

A comienzos del milenio, las baterías de Ni-hidruro metálico suponían la tecnología más avanzada para los vehículos híbridos. Si comparamos la situación con las baterías que se empleaban entonces de níquel-cadmio y de plomo-ácido, la tecnología de Ni-hidruro metálico reunía todos los requerimientos que se exigían en la industria del automóvil: alta densidad de energía y potencia suficientes para una autonomía de unos 300 km y un rendimiento de 70 vatios hora por kilogramo. Por otro lado esas baterías se usaban en sistemas de propulsión equipados con motores eléctricos de 320 voltios (corriente alterna) o 180 voltios de corriente continua, con lo que su ciclo de vida se incrementaba hasta un 80% de la descarga. Una ventaja adicional era la capacidad de usar energía regenerativa recuperada del frenado. Se emplearon materiales reciclables, con excelentes propiedades térmicas, ya que operaban entre 30ºC y 70 ºC y había seguridad en los procesos de carga y descarga. En suma, si se comparan las baterías de Ni – hidruro metálico y la de litio-ión, se encuentra que mientras que la de Li-ion oferta hasta un 20% más de energía, el sistema total es más manejable en las de Ni-hidruro metálico y con menos peso.  Un automóvil eléctrico actual con batería de Litio-ión tiene una autonomía de unos 160 kilómetros  y otros equipados con baterías de Ni-Hidfruro metálico logran recorrer hasta 280 kilómetros, con lo que la eficiencia está clara, desde el punto de vista automovilistico. La desventaja de las baterías de Ni-hidruro metálico es que aumentan de peso y son una tecnología obsoleta. Es por ello que se anuncia el desarrollo de otros tipos de baterías como las de Na-NiCl o las denominadas ZEBRA (por por el grupo Zeolite Battery Research Africa Project, aunque su deno,minación técnica es Batería de Na-NiCl2), que es una  baterías recargable que opera a 250 ºC empleando como electrolito odio-aluminio-cloro (NaAlCl4) o sodio-níquel-cloro (NaNiCl) triturado, con un punto de fusión de 157 °C el electrodo negativo es sodio triturado y el positivo es níquel, cuando la batería está descargada y cloruro de níquel cuando está cargada. Tiene la ventaja de que como el níquel y el cloruro de niquel seon muy insolubles en medios neutro y básico, pueden estar en contacto el electrolito y los electrodos, suponiendo una pequeña resistencia a transferir la carga. Se separan las semipilas con un separador cerámico, dado que tanto el sodio como el cloroaluminato son líquidos a las temperaturas de operación. En el desarrollo de esta pila se han empleado más de veinte años. Esta batería consigue una energía de 90 w-hora por kilogramo y una potencia de 150 vatios por kilogramo. Opera a unas temperaturas comprendidas entre 270ºC y 350 ºC. Recordemos que las baterías de Litio ión (LiCoO2) son capaces de almacenar entre 150 y 200 vatios-hora por kilogramo y las de Li-ferrofosfato (LiFePO4). La gran ventaja de esta batería es que los elementos básicos: sodio, cloro y aluminio están facilmente disponibles y las reservas son superiores a los elementos integrados en las baterías de litio. Las ZEBRA aguantan 1500 ciclos en cinco años o 3000 en ocho años y ya hay vehículos experimentales que han superado los 2 millones de kilómetros. Están especialmente diseñadas e indicadas para autobuses de transporte público, proporcionan una densidad de energía entre 90 y 120 vatios hora por kilogramo y son económicas, comparadas con las otras existentes. Son baterías resistentes a sobrecarga y descarga, su ciclo de vida es alto, son robustas y pueden emplearse en ambientes severos. La bajas temperaturas no afectan a su rendimiento.

 

La reducción de tamaño conseguida en las baterías de Na-NiCl incrementa la temperatura de operación, situada entre 270ºC y 350 ºC y requiere un uso continuado para evitar  el enfriamiento del electrolito de la batería. Cuando el vehÍculo no se usa hay que mantener la temperatura de operación calentando externamente, lo que supone un consumo de unos 90 vatios hora. Esto supone entre 12 y 15 horas que son necesarias para calentar la batería y llevarla a los parámetros funcionales.

 

Las baterias de Litio-ion están en un avanzado grado de aproximación a los parámetros teóricos, pero no ofrece, todavía un tiempo de autonomía satisfactorio y se requiere investigar y encontrar la forma y manera en que pueda ofrecer una mayor capacidad de almacenamiento de energía y un incremento de la vida útil. Un tipo de batería prometedora es la de Li-S porque incrementa la energía  hasta 2500 wh por kilogramo y la capacidad específica teórica  hasta 1672 mAh por kilogramo. Esta última es, quizás, la solución más viable para la tecnología hoy en uso. El futuro es prometedor, pero no deja de sorprender que el principal problema de hoy, siga siendo el mismo que hace medio siglo: el control de la esquiva carga.