Tecnología mejorada para baterías de vehículos eléctricos

Tesla Model S es el nuevo favorito de la industria de los automóviles eléctricos, pero recientemente ha experimentado tres incendios consecutivos (incluidos 60 kilovatios-hora y 85 kilovatios-hora de ambas versiones de batería), y la causa detallada del incendio aún está bajo investigación.

Gracias a las nuevas tecnologías y al uso de materiales ligeros, la batería de los ModelS tarda sólo 4,4 segundos en acelerar de 0 a 60 mph. Debido a la naturaleza activa de estos materiales, las baterías de litio del automóvil deben tener medidas de protección completas. La batería de litio del automóvil pesa 500 libras y está ubicada en el chasis del vehículo. Tiene el mismo ancho que la distancia entre ejes y es un poco más corta que la distancia entre ejes. El tamaño físico real del paquete de baterías es de 2,7 metros de largo, 1,5 metros de ancho y de 0,1 a 0,18 metros de grosor. La parte más gruesa de 0,18 metros se debe a la superposición de dos módulos de batería. Este tamaño físico se refiere al tamaño total del paquete de baterías, incluidos los paneles de embalaje superior e inferior, izquierdo y derecho, delantero y trasero. La estructura de este paquete de baterías es un diseño universal. Además de la celda tipo 18650, también se pueden instalar otras celdas elegibles. Además, la batería está diseñada para ser sellada y aislada del aire. La mayor parte del material utilizado es aluminio o aleación de aluminio. Se puede decir que la batería no es solo un centro de energía, sino que también forma parte del chasis del ModelS. Su fuerte caparazón puede jugar un buen papel en el soporte del vehículo.

Pero incluso entonces se incendió, razón por la cual los investigadores deben acelerar el desarrollo de una nueva generación de tecnología de baterías para vehículos eléctricos.

Este verano, el Programa de Investigación Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU., APRA-E, invirtió $ 36 millones para ayudar a los investigadores a establecer una base sólida para desarrollar diseños de baterías de próxima generación. Estos incluyen 22 proyectos de tecnología, todos los cuales tienen como objetivo hacer que los vehículos eléctricos sean más eficientes y menos costosos.

Batería de hidruro de níquel: de híbrido a automóvil eléctrico puro

Uno de los muchos investigadores de baterías, Michael Felcenko, ingeniero químico de BASF, fue financiado por APRA-E para intentar extender la tecnología de baterías de níquel-zinc originalmente utilizada en automóviles híbridos a vehículos eléctricos puros.

En general, las baterías de hidruro metálico de níquel tienen una densidad de energía de 1 kWh / kg. Para aplicarlo a vehículos eléctricos puros, BASF debe aumentar la densidad de energía de las baterías de hidruro metálico de níquel a 30-50 kilovatios-hora por kilogramo. La clave del éxito de esta aplicación es si puede aumentar la densidad de energía de las baterías de hidruro metálico de níquel al valor deseado y reducir los costos.

Una forma posible de lograr este objetivo es reemplazar los elementos de tierras raras necesarios en la batería. El elemento de tierras raras es un nombre colectivo. Hay 17 tipos de elementos en este grupo. La razón por la que se llama al elemento de tierras raras no es por sus pequeñas reservas, sino porque está presente principalmente en las minas y costará mucho dinero durante el proceso de desarrollo. En las baterías tradicionales de hidruro metálico de níquel, más del 50% de la energía se genera por la reacción de elementos de tierras raras. Sin embargo, el rendimiento de almacenamiento de dichos elementos es deficiente.

Para resolver este problema, BASF intentó utilizar aleaciones hidrogenadas de metales de bajo costo. El profesor Fetcenko cree que este material puede mejorar las propiedades químicas de las baterías de hidrógeno de níquel-metal y reducir su costo. Sin embargo, para los vehículos eléctricos puros, las ligeras mejoras en las propiedades químicas de las baterías de hidrógeno y níquel no son suficientes para reemplazar las baterías de litio porque las baterías de litio también tienen una característica crucial: peso ligero o baja densidad.

Batería de zinc-aire: desde audífonos hasta automóviles

Las baterías de zinc-aire liderarán la próxima generación de tecnología de baterías para vehículos eléctricos, según EnZincc, una empresa californiana. Michael Burz, jefe del equipo de investigación de la compañía, dijo que la próxima generación de baterías para automóviles eléctricos debería tener tres componentes: alto rendimiento, seguridad y bajo costo. Él y su equipo están tratando de cambiar el esquema / arquitectura de diseño de la batería para lograr estos tres puntos.

Señaló que la estructura de la batería no ha cambiado durante más de 100 años, y la gente todavía no ha podido pensar fuera de la caja. La llamada arquitectura de batería incluye tres elementos: positivo, negativo y electrolito. El polo positivo libera electrones y el polo negativo recibe electrones. Los polos positivo y negativo están separados por el electrolito, que actúa como medio para el libre flujo de iones.

En las baterías de iones de litio, los iones de litio se mueven negativamente a compuestos basados en carbono desde el electrodo positivo de óxido de litio y usan electrolitos orgánicos. Las baterías de zinc-aire son diferentes. El electrodo positivo usa carbono para absorber oxígeno en el aire y el electrodo negativo es una aleación de zinc. El zinc también es una sustancia benigna y su subproducto en las baterías es el óxido de zinc, que es el componente principal del protector solar.

A través de los métodos anteriores, las baterías de zinc-aire pueden lograr tres características: alta eficiencia, bajo costo y seguridad.

En ese caso, ¿por qué no popularizar la tecnología ahora? Son baterías de zinc-aire que no se pueden recargar. Es por eso que actualmente solo se usa en dispositivos pequeños como audífonos. Para permitir que las baterías de zinc-aire se carguen, EnZinc ha desarrollado un nuevo plan para colocar oxígeno ordinario y zinc metálico en electrolitos alcalinos, generando corriente a través de la reacción de oxidación del zinc y, después de la recarga, el oxígeno y el zinc pueden regenerarse. Entonces el ciclo sigue y sigue, aumentando la densidad de energía de la batería.

Nuevo enfoque: pérdida de peso de la batería

Hay muchas direcciones para el desarrollo de baterías de vehículos eléctricos. Algunos investigadores se centran en mejorar su densidad energética y su rendimiento, mientras que otros se centran en reducir el peso de las baterías. Por ejemplo, el profesor Gabriel Veith del Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los Estados Unidos y su equipo están estudiando cómo reducir el peso de los sistemas de protección de baterías.

Gabriel Veith es un científico de materiales que espera desarrollar un material electrolítico ligero que funcione como un sistema de seguridad de la batería.

Veith explicó: "Cuando un vehículo eléctrico choca, el material sufre transiciones de fase que dificultan su penetración". Este rasgo puede resolver el problema del reciente incendio de la batería de Tesla. El problema para el equipo en la actualidad es aumentar el rendimiento de respuesta del material. Veith dijo: "Si la transición de fase ocurre solo cinco minutos después de la colisión del automóvil eléctrico, entonces esto no tendrá ningún sentido".

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