El cobalto, el níquel, el manganeso, el grafito y el silicio son los componentes principales que se utilizan en las baterías para vehículos eléctricos. La revolución de los vehículos eléctricos (VE) se acelera, con países como Reino Unido y Francia imponer líneas de tiempo para la eliminación gradual de los automóviles a gasolina y diésel. Si bien los vehículos eléctricos son el aparente reemplazo, las baterías de los vehículos eléctricos siempre han sido prohibitivamente caras e ineficientes. Hasta hace poco, los vehículos eléctricos luchaban por conducir más de 200 millas con una sola carga, y el largo período de carga hace que los viajes largos sean una pesadilla. Ahora todo eso va a cambiar.
¿Cuál es el motivo del cambio? A avance en los materiales utilizado en baterías recargables de vehículos eléctricos aumentará su eficiencia, permitiendo rangos más largos y períodos de carga más cortos.
Los cinco tipos principales de baterías para vehículos eléctricos
Por el momento, los cinco tipos principales de baterías que se utilizan en los vehículos eléctricos están basados en iones de litio (Li-ion):
1. Óxido de cobalto y litio (LCO)
Aunque las baterías LCO se utilizan principalmente en dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos inteligentes y tabletas, también se pueden emplear en vehículos eléctricos más pequeños. Es una sustancia relativamente inerte e inofensiva.
La principal desventaja es que incluyen cantidades considerables de cobalto, un metal caro con problemas de origen. Como resultado, rara vez se emplea en vehículos eléctricos comerciales.
2. Óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC)
Las baterías NMC son quizás las más utilizado escriba EV. Tienen una química estable y son compuestos razonablemente económicos que incluyen solo una pequeña cantidad de cobalto. Funcionan admirablemente, entregan una alta densidad de energía y se cargan más rápidamente que otras baterías.
3. Aluminio-litio-níquel-cobalto (NCA)
Las baterías NCA fueron el primer intento comercial de reemplazar el cobalto prohibitivamente caro de las baterías de iones de litio por níquel. Funcionan bien, generan una gran cantidad de energía y son bastante económicos de producir. Se han empleado ampliamente en dispositivos portátiles y vehículos eléctricos, mientras que las baterías NMC las han reemplazado en los últimos años.
4. Fosfato de hierro-litio Fosfato de litio y hierro (LFP)
Las más seguras de todas son las baterías de iones de litio, con una composición química extremadamente estable. Además, estas baterías tienen una alta densidad de energía, lo que las hace excelentes para su uso en vehículos eléctricos más grandes, como camionetas, autobuses y camiones.
5. Óxido de manganeso y litio (OVM)
Debido a su rendimiento energético razonable y al costo de material económico, las baterías LMO estuvieron entre las primeras en emplearse en los primeros vehículos eléctricos. La desventaja es que las celdas no son tan duraderas como las que se encuentran en otros tipos de baterías, lo que resulta en un ciclo de vida relativamente corto.
Este artículo examinará algunos de los materiales críticos utilizados para fabricar los diversos componentes de las baterías más eficientes y rentables, como NMC, y las razones de su selección.
Sustancias electrolíticas
El electrolito es un componente crítico de cualquier batería, que actúa como catalizador para aumentar la conductividad durante la carga y descarga al ayudar en el transporte de iones desde el cátodo al ánodo. Los electrolitos pueden ser líquidos, como el ácido sulfúrico (H2SO4) o sales solubles, o sólidos, como el policarbonato.
Por el momento, todas las baterías para vehículos eléctricos son de estado líquido, pero las baterías de estado sólido ofrecen numerosas ventajas, que incluyen tamaño y peso reducidos, mayor capacidad y menores costos de fabricación. Toyota declaró recientemente su intención de lanzar un vehículo eléctrico con una batería de estado sólido para 2020.
La mayoría de los electrolitos de las baterías de vehículos eléctricos están basados en iones de litio, lo que significa que utilizan litio para conducir la electricidad entre los electrodos. Si bien el mecanismo es similar al de la batería de un teléfono móvil, una batería de EV suele utilizar 10,000 veces la cantidad de litio. Como resultado, el precio del litio ha aumentado en sintonía con el aumento de la demanda.
Materiales para el cátodo
Cobalt
Cobalt fue el primer material que se utilizó en cátodos de baterías de iones de litio y se ha utilizado ampliamente en los últimos años. Debido a la estructura molecular compuesta compacta del cobalto, es perfecto para mantener un flujo rápido de electrones a través de la batería.
Sin embargo, el cobalto es cada vez más escaso debido al abuso en la industria de las baterías de iones de litio, que consume el 55% de los suministros mundiales de cobalto. Se produce como un subproducto de la extracción de cobre y níquel y es extremadamente difícil de recuperar. Otro problema es que el cobalto no se recicla fácilmente, lo que requiere un refinamiento extenso antes de que pueda usarse nuevamente, lo que los hace prohibitivamente costosos.
Como el cátodo representa alrededor 24% del costo total de una batería de iones de litio, las alternativas de menor precio al cobalto han ganado popularidad en los últimos años.
Níquel
Debido a la mayor resistencia de níquel, se requiere para fabricar cátodos de batería EV. El sulfato de níquel se utiliza en el cátodo y se puede fabricar con níquel clase 1 (premium) o clase 2. Aunque el níquel de clase 2 es menos costoso como materia prima, debe disolverse y purificarse antes de usarse en el cátodo, que es un procedimiento costoso. Como resultado, el níquel de clase 1 es el material preferido.
Los productores de baterías están ansiosos por aumentar el uso de níquel, ya que es significativamente menos costoso que el cobalto. Se utiliza con frecuencia con trazas de cobalto para generar cátodos más económicos. Por lo tanto, entre 2018 y 2025, se prevé que la demanda de níquel de clase 1 se expandirá a una tasa anual del 30%, llegando potencialmente a 570 kT, o aproximadamente 10 veces la demanda actual. Según estas proyecciones, varias empresas de reciclaje están mostrando interés en el reciclaje de níquel de baterías viejas para ayudar a satisfacer la demanda.
Magnesio
Magnesio con alta pureza y grado se utiliza con frecuencia para fabricar los cátodos de baterías NMC. Además, ocasionalmente se utiliza en forma de dióxido de manganeso electrolítico (EMD), que se genera disolviendo dióxido de manganeso (MnO2) en ácido sulfúrico y pasando una corriente entre dos electrodos.
El dióxido de manganeso se disuelve en el líquido para formar sulfato, que posteriormente se deposita en la superficie del ánodo. El material se extrae y se combina con una pequeña cantidad de cobalto para formar el cátodo en las baterías de iones de litio.
Materiales para ánodos
Grafito
Grafito es el material más utilizado para los ánodos de las baterías de vehículos eléctricos. Para una batería de tamaño medio, se requieren 25 kg de grafito de alta pureza, y para baterías grandes, como las que se utilizan en el Tesla Model S, se requieren hasta 54 kg.
La fabricación de ánodos de grafito es un procedimiento costoso y que requiere mucho tiempo. Implica sintetizar grafito a partir de coque de petróleo calcinado o limpio (un subproducto de las refinerías de petróleo), una sustancia fina y grava unida con brea de alquitrán de hulla. Para maximizar la absorción de iones de litio, el ánodo debe estar hecho de grafito de alta calidad con una estructura altamente cristalina.
Luego, la mezcla se hornea para crear carbón puro, que tiene una conductividad casi insignificante. A continuación, comienza un proceso conocido como "grafitización" o inducción magnética, durante el cual se suministra una carga de corriente continua de baja tensión y alta corriente a través del horno. Finalmente, se agrega cera o resina como barrera contra la humedad al ánodo en las baterías de estado líquido para evitar que se degrade.
Silicio
El silicio como material de ánodo tiene una variedad de ventajas sobre el grafito, que incluyen menores costos de material y fabricación. Además, puede absorber y contener una cantidad mucho mayor de iones de litio que el grafito cuando se carga. Esto aumenta la eficiencia de la batería, lo que permite que los vehículos eléctricos vayan más lejos con una sola carga. Los ánodos de silicio todavía están en investigación, pero se espera que estén disponibles comercialmente en 2020.
El futuro de los materiales de batería para vehículos eléctricos
Hay pocos materiales críticos para la fabricación de baterías para vehículos eléctricos. Junto con el creciente número de vehículos eléctricos que se están creando, las baterías que los alimentan están experimentando una rápida innovación. Los objetivos de la industria incluyen el desarrollo de materiales económicos de producir, así como el aumento de la eficiencia, la durabilidad y la reducción de peso de la batería.
Por ejemplo, el silicio y el grafeno son candidatos potenciales para reemplazar el grafito como material de ánodo de elección. El uso de estos materiales ampliará la gama de automóviles con una sola carga.
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