BATERÍAS DE ÚLTIMA GENERACIÓN PARA LOS FUTUROS TRACTORES ELÉCTRICOS

Conjunto de baterías en el John Deere Sesam

En artículos anteriores  avancé mi impresión en cuanto que el futuro de los tractores eléctricos irá en paralelo al desarrollo tecnológico de las baterías (me refiero a los artículos: 

• Baterías del tractor
• El tractor eléctrico I
• El tractor eléctrico II
• El proceso imparable de la electrificación

ACLARANDO EL CONCEPTO DE BATERÍA

Una batería es un elemento que genera energía eléctrica a partir de reacciones químicas que se producen entre un polo negativo o ánodo y un polo positivo o cátodo. Las reacciones químicas que se producen son las denominadas reacciones de oxidación y reducción (ánodo oxidación y cátodo reducción) conocidas como reacciones redox.

El electrolito es el responsable del paso de electrones de un polo a otro; aquí llamo la atención a una distinción muy importante para la tecnología de una batería: el electrolito puede ser líquido o puede ser gel o incluso sólido.

¿Y cuando se acaba?: El fin, no la muerte, al referirnos a “batería agotada, se produce cuando ya no se puede ceder más electrones entre los polos. Es entonces el momento de revertir la reacción anterior. Esta capacidad de recargar es la diferencia entre batería y pila.

PARÁMETROS DE UNA BATERÍA

Se deben fijar unos parámetros de fácil medición para contrastar la idoneidad de una batería.

• Tensión: Sin duda lo primero que se debe tener en cuenta. Se mide en voltios, V, (suele estar comprendido entre 1 y 3 V por elemento)
• Intensidad Corriente eléctrica: Es el flujo de carga; el caudal de corriente eléctrica y se mide en culombios por segundo (C/s) o amperio (A) Un parámetro muy importante de una batería es la denominada intensidad máxima de corriente que es el pico máximo que puede proporcionar, por ejemplo para el arranque
• Capacidad de carga: Se mide en amperios-hora (Ah) y es la energía que puede acumular la batería. Se trata de una medida de la energía que puede entregar la batería en una hora y se trata de un parámetro que influye en la duración de la carga de la propia batería.

Tensión, corriente y capacidad: Tuvo que venir un buen profesor a explicarme el símil del molino de agua para que mi obtusa mente entendiese los conceptos:

El voltaje o tensión sería la altura de la caída del agua que mueve la rueda del molino. A más altura de caída mayor fuerza generada.

El caudal de agua que cae hacia la rueda del molino es la corriente. A mayor caudal mayor capacidad para mover la rueda.

La capacidad sería el volumen de balsa que almacena el agua para mover la rueda.

• Ciclo: Se llama ciclo de uso al correspondiente a una carga y descarga
• Densidad de energía: Es la cantidad de energía que se puede acumular por unidad de masa o volumen
• Capacidad de almacenamiento: se mide en vatios por hora o también se puede dar por kilogramo de peso, así se puede decir 75 Wh/kg
• Efecto memoria: se llama así a un fenómeno por el cual si una batería no se ha descargado completamente sólo podrán recargarse hasta un límite que ya es inferior al máximo. Además este proceso se repite de forma continua
• Recarga: Líneas arriba ya he expresado que esta capacidad es la gran diferencia entre pila y batería: En la batería las reacciones químicas son reversibles; en la pila no. Las reacciones redox (oxidación-reducción) pueden ir en un sentido u otro. Por supuesto el proceso no es infinito y, en función del tipo de batería, existirán más o menos ciclos de carga y así se configura la vida útil

Para producirse la recarga se debe aplicar una corriente eléctrica que “va en sentido inverso”, es decir si el sentido normal es del ánodo al cátodo con la recarga el sentido de electrones es del cátodo al ánodo.

Mi tractor y un Fórmula 1: En un vehículo convencional es el alternador y unos transistores los que transforman la energía generada en alimentación de la batería (corriente continua); En un F1, también algunos coches de última generación, son las unidades de potencia, MGU (Motor Generator Unit), las que producen la corriente alterna. La MGU es por tanto un grupo generador que convierten energía mecánica y calor en energía eléctrica y viceversa.

TIPOS DE BATERÍAS

En el mercado existe multitud de tipos de baterías. También a lo largo de la historia de la electricidad se han sucedido diferentes tipos. Entre las más conocidas destacan las de ácido-plomo (las que llevan nuestros tractores y turismos), las de ión-litio (la habitual en ordenadores portátiles, teléfonos móviles) o las de níquel hidruro metálico (se utilizan reemplazando a las típicas pilas, en dispositivos como juguetes, relojes, cámaras fotográficas...) y hay un apartado más denominado “baterías de última generación”. Veamos:

Plomo-Ácido: Las que más tiempo llevan con nosotros y a las que conocemos bien. Su gran ventaja es el bajo coste; su desventaja, el enorme peso y volumen así como su baja densidad de energía.

Plomo-ácido “modernas”: Al tratarse de una batería con muchas ventajas la idea es disminuir alguno de sus inconvenientes; para eso se puede optar por sustituir el electrolito líquido por "geles o siliconas", o bien por "fibra de vidrio" (AGM) o también por "papel". De esta forma se elimina el problema de derramar el electrolito y permite que se pueda colocar la batería en posiciones "no horizontal" y en vehículos con "mucho movimiento"

Níquel Hierro (ferroníquel): En este caso el electrolito es alcalino (potasa). Su gran ventaja es que son mucho menos contaminantes que las de ácido pero en contra dispone de una desventaja como es su eficiencia energética.

Níquel Cadmio (NiCd): Son baterías muy buenas para usos industriales pero tienen un acusado efecto memoria y además llevan cadmio que es un material muy contaminante por lo que están siendo rápidamente desplazadas por las de hidruro metálico (NiMH)

New Holland NH2

Níquel Hidruro metálico (Ni-MH): Mientras que el ánodo no varía en cuanto a las de NiCd, el cátodo de cadmio se sustituye por una aleación de hidruro metálico. Disponen de unas ventajas adicionales como son la densidad de energía y el bajo efecto memoria.

Se usan mucho en dispositivos electrónicos y son las más usadas en aquellos vehículos de propulsión totalmente eléctrica o incluso en los vehículos híbridos.

Pilas de Combustible: En realidad la pila de combustible (o celda de combustible) no es un acumulador como los que he citado hasta ahora pero también convierten la energía química en eléctrica; además también son recargables.

En la pila de combustible se usa el hidrógeno en flujo continuo y se mezcla con el oxígeno del aire. La consecuencia es un movimiento de electrones y un subproducto “limpio” como es el agua por lo que se trata de una “batería” con un mínimo impacto ambiental y con una reacción de muy alta eficiencia energética. Diversos fabricantes lo usan; algunos ejemplos pueden ser el FCV de Honda, el Mirai de Toyota y sin olvidar el prototipo de New Holland el NH²

BATERÍAS DE IÓN LITIO

Baterías Ion Litio NMC para aplicación aeroespacial

Por su importancia y su futuro prometedor les dedico un apartado especial.

Las baterías de Ion Litio son, desde el punto de vista comercial, las más modernas (se empiezan a usar en 1990). A día de hoy el Ion Litio "sigue de moda" entre otras cosas por su poco peso, por su resistencia a la descarga, por su casi nulo efecto memoria y además porque destacan en su gran capacidad energética, hasta 180 Wh/kg. Con diferencia, son las baterías más usadas en la industria electrónica (teléfonos móviles, tablets, ordenadores portátiles…)

El electrolito utilizado consiste en un gel de sal de litio y justamente por ser un gel tienen la capacidad de adoptar formas libres, por lo que son capaces de acoplarse a casi cualquier sitio.

Los “vasos” o celdas se colocan en “sándwich”; el electrolito rodea a materiales que constituyen el cátodo. En función del número de celdas unidas se consiguen baterías de mayores o menos prestaciones (tensión, intensidad, potencia)

Dentro de la gran familia de baterías Ion Litio, una de las disposiciones más exitosa es la combinación de cátodo de níquel-manganeso-cobalto (denominado NMC).

Ventajas del Ión Litio: Muchas de las ventajas derivan de ser el litio el sólido más ligero que existe. Otra ventaja es la mayor densidad de energía que otras baterías. Apenas tienen el denominado efecto memoria. Pueden aguantar muchos ciclos de carga y descarga y no afectar a su rendimiento. Otra ventaja considerable es su larga vida útil y como no enunciar la ventaja competitiva por disponer de una baja tasa de autodescarga (si no se usa no se gasta)

Reciente botadura del submarino japonés Oryu con batería de litio

Y en el lado negativo: Al haber tantos tipos de baterías de Ión Litio, es por lo que hay que tener precaución al hablar de las “desventajas” de este tipo de baterías. Pero hablando “en general” se puede afirmar que se trata de baterías significativamente sensibles a la temperatura, llegando a tener un comportamiento incluso peligroso si sube excesivamente la temperatura (todos tendremos en mente imágenes de teléfonos móviles ardiendo)

Otro inconveniente, y no pequeño, reside en la propia fabricación o mejor dicho en la extracción de los materiales necesarios para la fabricación. Y por último, en el lado negativo, hay que citar su elevado precio.

¿Y en mi tractor?: Pasará algo de tiempo hasta que se empleen las baterías Ion Litio en el arranque de tractores; sin embargo llevan tiempo estando presentes en muchos sistemas del tractor, por ejemplo en las centralitas electrónicas (para dotarlas de gran autonomía)

A pesar de que no son baterías “comerciales” para el tractor (las hay pero no se puede calificar de “habitual”) si que deseo destacar como su uso en vehículos “pesados” es un hecho. Y es que el pasado 4 de octubre, Japón dio comienzo a una nueva era en la guerra submarina utilizando por primera vez baterías de litio en sus submarinos de ataque. De momento solamente en uno de ellos, el Oryu de 4519 toneladas pero la industria armamentística ha tomado debida nota. Los japoneses argumentan a favor de la decisión tomada en base a la mayor densidad de energía por volumen y peso del Ion-Litio frente al plomo-ácido; también por su carga más rápida y por una descarga más eficiente.

ALGUNOS DESARROLLOS DESTACABLES

A día de hoy, en automóviles híbridos y enchufables, las baterías utilizadas son las de ión Litio, hidruro de níquel (NiMH) y también plomo-ácido. Pero los fabricantes reconocen de las limitaciones de esas baterías y que se debe trabajar en la tecnología que parece dominará los próximos años. Dos vías parecen dominar los desarrollos futuros: el estado sólido y el grafeno.

Batería de estado sólido Bosch Seeo´s

Estado sólido

La mayoría de los fabricantes reconocen que esta tecnología será la denominada de “estado sólido”. Se trata de una tecnología de batería en la cual tanto los electrodos como el propio electrolito son sólidos y no líquidos o poliméricos. El “invento”, como casi siempre, no es algo nuevo. Ya en 1850 Faraday usó electrolitos sólidos como el sulfuro de plata. Pero es a partir de 1960 y sobre todo en la última década del siglo XX cuando más se avanza en el estudio del estado sólido.

Si se cita una empresa a la vanguardia en tecnología de baterías para vehículos eléctricos, existe mucha probabilidad que la empresa citada sea Robert BoschGmbH. R. Bosch ha apostando fuerte por el sector. Una de las apuestas ha sido la adquisición de la start-up, californiana Seeo Inc puntera en estas tecnologías. Por supuesto R. Bosch&Seeo han apostado por baterías de estado sólido.

Hasta ahora el objetivo de la industria se había centrado en duplicar la densidad energética de las baterías y reducir a la mitad sus costes para 2020. Pero R.Bosch&Seeo ahora hablan de sobrepasar el doble de la densidad energética del 2018 para comienzos del 2020. Además afirman responsables de la empresa que habrá reducciones importantes en el coste de fabricación.

Grosso modo, esto significa esto que los coches eléctricos con la nueva generación de baterías podrán duplicar en menos de 15 meses su autonomía y además se podrán ofertar a un precio más bajo.

Futuro inmediato: las cifras que baraja la industria automovilística prevén para 2025 nada menos que un 15% de coches nuevos serán híbridos y hasta un 30 % serán o híbridos enchufables o eléctricos. Grandes empresas conforman joint venture para liderar la revolución presente: GS Yuasa, Mitsubishi Corporation…

Tecnología híbrida en escavadora Komatsu

Otro dato proviene de otro gigante en la investigación de baterías, se trata de Solid Power que ha anunciado este mismo año que va a iniciar la producción de baterías recargables de litio de estado sólido. La empresa explica que consiguen aumentar mucho la capacidad de almacenamiento fabricando el ánodo con litio puro (actualmente en las baterías de IonLitio se fabrica con alto porcentaje de grafito lo que le hace perder capacidad)

Ventajas e inconvenientes: Su principal ventaja es la potencia y la densidad de energía puesto que son más compactas y además permiten una carga más rápida a la vez que mayor vida útil. También a su favor obra la seguridad (las células funcionan sin líquido iónico y por lo tanto no son inflamables), amén del uso de materiales menos tóxicos o peligrosos.

Viendo tantas ventajas cabe preguntarse el inconveniente… Como casi siempre el coste es el mayor lastre.

Grafeno

La segunda vía para intentar solucionar los problemas habituales de las baterías de IonLitio (durabilidad y limitación de carga) es la vía del grafeno.

Si bien es verdad que se trata de una tecnología poco madura, también es cierto que su desarrollo es constante y en rápida expansión.

¿Qué es el grafeno?: Se trata de un polímero de carbono puro similar al grafito pero con más pureza y con una enorme conductividad eléctrica. Desde el punto de vista "mecánico" al grafeno hay que describirlo como un material extremadamente fuerte, duro y rígido pero como posee una estructura laminar puede soportar grandes flexiones sin llegar a romperse. El grafeno supera en dureza al diamante y es 200 veces más resistente que el acero a la vez que es extremadamente ligero.

Tecnología híbrida en cargadora frontal J. Deere 229 CV

Su uso como batería se basa en su propiedad que le permite generar electricidad cuando se ilumina con un haz de luz. Las baterías de grafeno se caracterizan por tener una velocidad de carga muy rápida pero es que también son muy ligeras.

España también habla: hay una empresa española, Graphenano, que habla de una densidad de energía en cuanto a las baterías en base grafeno de hasta 1000 Wh/kg. La cifra es espectacular sabiendo que la cifra actual para una batería de IonLitio es de 180 Wh/kg