A este lado de los milagros: las cinco tendencias más importantes de las pilas

Autonomía, potencia de carga y coste: la batería de tracción sigue siendo el componente más importante del coche eléctrico. Los avances son notables en los modelos actuales, pero es vital seguir mejorando en los próximos años. ¿Qué está ocurriendo ya en la carretera y no sólo en el laboratorio?

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La revolución de las pilas aún no se ha producido: Si se examinan más de cerca, las historias de éxito de la investigación sobre baterías son en su mayoría sólo resultados parciales inflados que se supone que atraerán nuevos fondos para el instituto respectivo. El número de creyentes en milagros que esperan una innovación drástica en la química celular se está reduciendo.

Por otro lado, las propiedades de las baterías de tracción en los coches eléctricos mejoran continuamente. Evolución en lugar de revolución: esa es la realidad de las baterías de tracción. La mayoría de las veces se produce un aumento de la autonomía, pero a menudo también sube la velocidad de carga. Todo va en la buena dirección, pero algunas preguntas siguen sin respuesta.

Se supone que un sistema de baterías en el que muchas celdas individuales forman un colectivo de trabajo puede hacerlo todo: debe almacenar mucha energía eléctrica, preferiblemente en poco espacio (densidad de energía volumétrica) y con poco peso (densidad de energía gravimétrica). La seguridad también debe ser lo más alta posible en caso de choque y el riesgo de embalamiento térmico lo más bajo posible. Y especialmente en los segmentos de vehículos de la clase compacta hacia abajo, el coste es una cuestión clave. Todo es cuestión de dinero, como siempre.

Nuestra visión general de las cinco tendencias más importantes:

1. LFP se amplía a LMFP

Tesla inició la tendencia: el anteriormente denominado Model 3 Standard Range Plus perdió el sufijo del nombre y se equipó con células LFP. LFP son las siglas de "fosfato de hierro y litio", una química celular robusta en todos los aspectos. La estabilidad del ciclo es alta, y el temido desbocamiento térmico se considera improbable. La producción tampoco presenta problemas, y es barata porque no requiere metales caros o críticos como el níquel y el cobalto.

La desventaja es la baja densidad energética: Un Model 3 con células LFP tiene una autonomía estándar de 491 kilómetros. En cambio, un Model 3 Long Range Dual Motor con una mezcla catódica predominantemente a base de níquel llega a los 602 kilómetros. Sin embargo, debido al precio extra de 9.000 euros, muchos compradores se decantan por la versión LFP.

La combinación de células LFP de bajo coste para las versiones de entrada de gama y células NMC clásicas para las variantes premium puede encontrarse en muchos fabricantes de automóviles. Especialmente los asociados directamente con China, porque las células LFP se establecieron primero allí y se utilizan ampliamente.

Lo flagrantes que son los efectos puede demostrarse con una simple comparación. A Volkswagen ID.3 con 58 kWh y 429 km de autonomía WLTP cuesta al menos 39.995 euros en Alemania. El equipamiento de serie deja bastante que desear y Volkswagen no ha ofrecido un ID.3 con menos autonomía por menos dinero. El ID.3 con 45 kWh sólo puede encontrarse en pequeñas series en operaciones de flota como el car sharing. No es para clientes "normales".

Con la EX30, Volvo muestra lo que falta en Volkswagen: el precio de entrada es de 36.590 euros. Una diferencia de precio de más de 3.400 euros, que es incluso ligeramente superior si se ajusta por el equipamiento, puede afectar a la decisión del comprador, especialmente en el segmento C. Es cierto que el VE sólo tiene una autonomía de 340 km debido a las células LFP. Sin embargo, dado un precio final inferior a 30.000 euros para particulares en Alemania (tras subvenciones), es probable que algunos clientes se decanten por él.

Tesla sigue marcando el camino. El LFP se convertirá en LMFP, probablemente a finales de este año. Incorporar manganeso a la estructura es exigente, pero aumenta la densidad energética. Para el coche eléctrico (primero en el Model 3 Highland, luego en el Model Y Uniper), eso podría significar hasta un 10% más de autonomía, mientras los costes permanecen estancados.

Las células proceden del líder del mercado mundial CATL. La tensión de las pilas LMFP es superior a la de las pilas LFP. Sin embargo, uno de sus puntos débiles es el menor rendimiento de carga y descarga. Pero queda por ver si eso se nota en la vida cotidiana y cómo de grande es realmente esta pérdida de rendimiento. Nuestra conjetura: Tesla, como siempre, controlará hábilmente el sistema de baterías. Y otros fabricantes le seguirán -incluido Volkswagen, si los anuncios realizados en Día del poder son de creer.

2. Mezcla de silicio en el ánodo

El debate sobre los detalles de la mezcla catódica -NCA o NMC955- desvía la atención del gran potencial de mejora en el ánodo. Aquí se utiliza casi exclusivamente grafito. Pero el grafito es muy pesado y ralentiza la velocidad de carga. Además, se procesa casi exclusivamente en China. Si se consigue añadir cada vez más silicio a este ánodo de grafito, el resultado será una densidad energética muy mejorada y una mayor tasa C (=velocidad de carga, véase el punto 5).

El Porsche Taycan y el Audi e-tron GT ya tienen una adición de silicio en el rango porcentual bajo de un solo dígito. Los círculos del sector suponen que hasta un 20% es factible a medio plazo. El problema aquí es que tales ánodos cambian de volumen durante la carga y la descarga, ya que aumentan y disminuyen. La investigación de materiales está trabajando en la eliminación de los obstáculos resultantes. Existe una confianza generalizada en que esto funcionará.

Las pilas con un ánodo de grafito y una mezcla de silicio pueden fabricarse en líneas de producción convencionales. Los expertos afirman que se acercan a las baterías de estado sólido en cuanto a propiedades. En la segunda mitad de la década, este tipo de pilas se generalizará cada vez más, y son más realistas que las pilas de estado sólido.

3. Pilas de estado sólido

Las baterías de estado sólido son una de las palabras de moda en la industria. Sustituir un electrolito líquido tiene una ventaja radical si se consigue combinar un electrolito sólido con un ánodo de litio metálico puro. En términos de propiedades, tanto la densidad energética como el rendimiento podrían ser excelentes.

Pero el litio puro es muy reactivo y, por tanto, difícil de manipular y producir. Desde el punto de vista de la industria automovilística, la cuestión es si invertir mucho esfuerzo en este campo merece la pena desde el punto de vista financiero.

Muy pocos proveedores trabajan abiertamente en la combinación de electrolito sólido y ánodo metálico de litio. Quantumscape es uno de ellos. Volkswagen tiene una participación en Quantumscape.

En su lugar, muchas empresas declaran las pilas de estado semisólido bajo la etiqueta "de estado sólido". Los términos no están estrictamente protegidos. Los electrolitos de estado semisólido pueden ser polvos blandos o geles. Tienen cierto potencial para mejorar algo las propiedades de las pilas, por ejemplo, la fiabilidad operativa, pero no proporcionan el requisito previo para un ánodo de litio puro.

El competidor más duro de las baterías de estado sólido son las celdas convencionales con la mezcla de silicio en el ánodo mencionada en el punto 2. No obstante, si alguien consiguiera que una batería de estado sólido duradera con un ánodo de litio puro y un electrolito sólido real estuviera lista para la producción en serie, sería un gran avance.

Por desgracia, esto no es previsible en la actualidad.

4. Sodio en lugar de litio

Mucha gente está menos interesada en el extremo superior de lo que es técnicamente concebible, pero más en el extremo inferior de lo que es realmente factible: Los principales problemas actuales tienen que ver con el dinero y la asequibilidad. Y ahí es donde las pilas que utilizan sodio en lugar de litio ofrecen potencial.

BYD de China equipará el microcoche Seagull con células de iones de sodio como opción antes de finales de este año. Los materiales utilizados en esta química son muy diferentes de los habituales hoy en día. Sin embargo, el modo básico de funcionamiento es el mismo.

Utilizar sodio en lugar de litio es más barato. En el ánodo se utiliza el llamado carbono amorfo (carbono duro) en lugar de grafito. Al parecer, los desarrolladores del material han conseguido mitigar importantes puntos débiles, como la pérdida de capacidad durante la primera carga. Los gigantes de la industria como CATL, que también construirá baterías de iones de sodio, perdería credibilidad.

Por ejemplo, en el cátodo pueden utilizarse colorantes como el blanco de prusia (CATL). El Prof. Dr. Markus Hölzle, especialista en materiales de la ZSW de Baden-Württemberg, calcula que un kilovatio-hora a nivel de sistema cuesta unos 80 euros. A modo de comparación: según el análisis de Hölzle, las células LFP ascienden a 118 euros y las NMC811 a 146 euros.

Debido a su muy baja densidad energética, las células de iones de sodio compiten principalmente con las de LFP. En este caso, las de sodio son incluso más débiles que las de LFP. Sin embargo, esto se ve contrarrestado por importantes ventajas que van más allá de los costes. Por ejemplo, las células de iones de sodio tienen unas propiedades a baja temperatura mucho mejores y su durabilidad es aún mayor.

Por el momento, las posibilidades aún deben evaluarse con cautela. Las críticas a la baja densidad energética recuerdan mucho a los primeros tiempos de las células LFP: En realidad, sólo eran adecuadas como almacenamiento intermedio de energía solar en edificios residenciales, se decía de las células LFP. Hasta que llegó Tesla. Las cosas podrían ser similares con las células de iones de sodio.

5. La tasa C aumenta

El índice C es el punto de referencia en todos los gráficos de la industria automovilística sobre el desarrollo de las baterías. 1C significa que la carga de 0 a 100% lleva una hora. Traducido del 10% al 80% (que es lo que se cita con más frecuencia), 1C son, por tanto, 42 minutos.

La tasa C se utiliza para comparar la velocidad de carga de baterías de tracción con diferentes contenidos energéticos. La tasa de carga máxima, por otro lado, es un valor único que ciertamente permite sacar conclusiones, pero no es lo suficientemente significativo para su uso práctico.

La mayoría de los coches eléctricos del segmento compacto necesitan unos 30 minutos para cargarse del diez al 80%. Eso corresponde a 1,4C. Y el e-GMP de Hyundai lo hace en 18 minutos, alcanzando los 2,3C. Es la cima de lo que los clientes pueden comprar hoy a bajo precio.

Para 2030, sin embargo, se espera que los índices C aumenten a 4 ó 5. Así es como lo traza la industria del automóvil. CATL es aún más rápido. El líder del mercado mundial chino presentó recientemente el sistema Qilin, que puede equiparse con células LFP y NMC. CATL reivindica diez (¡!) minutos para la carrera de carga del diez al 80%, lo que significa 4C. Está previsto que la producción comience en 2023.

El medio técnico para conseguirlo es aumentar drásticamente la potencia de refrigeración y calefacción del sistema. Si las células funcionan bien, pueden rendir al máximo. Por supuesto, CATL también tendrá que soportar que esta especificación de fábrica se pruebe más adelante en el coche eléctrico. Sentimos curiosidad por esta realidad tan prometedora sobre el papel.

Así que un sistema de baterías de primera clase es un complemento ideal para unas buenas células. Claro. Y 800 voltios son otro medio. Si una estación de carga ofrece un máximo de 500 amperios y el coche eléctrico está diseñado para 400 voltios, eso es justo para 200 kW. Un sistema de 800 voltios puede teóricamente hacer el doble de eso - aquí es donde el sistema de baterías y la química de las células establecen el límite, que actualmente es de alrededor de 270 a 300 kW en un coche de producción.

La tercera forma de aumentar la tasa de C es mejorar el ánodo, por ejemplo, añadiendo silicio al ánodo de grafito previamente puro.

Algunos propietarios de coches eléctricos sugieren que no es necesario aumentar más la tasa C. Eso puede ser cierto para quienes cargan principalmente en casa. Es suave cargar lentamente. En la carretera, sin embargo, se necesita lo contrario. La infraestructura de corriente continua siempre alcanzará sus límites a medida que aumente la movilidad eléctrica. Ya podemos ver que los parques de DC, a veces bostezantemente vacíos, están abarrotados los domingos por la tarde o al comienzo de las vacaciones.

Una tasa C elevada significa que los espacios de recarga se despejan más rápidamente. Se trata de un paso adelante ineludible si se quiere ampliar la movilidad eléctrica.

Informe de Christoph M. Schwarzer