Impulsando el futuro: innovaciones en baterías de vehículos eléctricos desde la producción hasta el reciclaje
Los avances en la tecnología de baterías para vehículos eléctricos (EV) están liderando el cambio a la hora de satisfacer las crecientes expectativas de los clientes en cuanto a rendimiento, sostenibilidad y eficiencia, y son fundamentales para la adopción más amplia de vehículos eléctricos en todo el mundo.
En este artículo, exploraremos cómo una tecnología de baterías más eficiente, rentable y sostenible desempeñará un papel fundamental en el desarrollo de la próxima generación de vehículos eléctricos.
Desde los últimos desarrollos en innovación y rendimiento hasta el reciclaje y las opciones de segunda vida, mostraremos cómo las innovaciones en baterías de vehículos eléctricos tienen el potencial de cambiar el mercado de la movilidad para siempre.
Innovación en la producción: construcción de baterías de próxima generación
Actualmente, NMC (níquel, manganeso y cobalto) y LFP (ferrofosfato de litio) son los tipos de baterías más populares del mercado. Si bien las baterías NMC se ven favorecidas por su mayor densidad de energía, lo que permite rangos de conducción más largos, muchos BEV de nivel de entrada utilizan baterías LFP debido a su rentabilidad y ciclo de vida más largo. Las ventajas de las baterías de iones de litio han llevado a la industria de los vehículos eléctricos hasta ahora, con su alta energía, su larga vida útil y sus propiedades de carga rápida. Pero las preocupaciones sobre el coste, la vida útil, la seguridad y el impacto ambiental de los iones de litio están aumentando a medida que la industria se expande.
Las baterías de estado sólido, de litio-metal y de iones de litio avanzadas son algunas de las opciones para mejorar las baterías de próxima generación. La comparación del rendimiento energético de los vehículos eléctricos muestra que los diferentes tipos de baterías tienen la capacidad de ofrecer un mejor rendimiento, como se ve en este cuadro comparativo.
Fuente: Comparativa de baterías de vehículos eléctricos | Descargar Diagrama Científico
Las baterías de estado sólido están marcando el camino
Las baterías de estado sólido pueden parecer la clave para revolucionar la industria de las baterías para vehículos eléctricos en comparación con las de iones de litio.
Con una mayor densidad de energía y sin el líquido inflamable de los iones de litio, son una opción más segura y eficiente. Al almacenar más energía en un paquete más pequeño y liviano, el diseño tanto de las baterías como de los vehículos eléctricos podría mejorarse en torno a ellos.
Una instalación de carga más rápida reduce el coste y el tiempo de carga, lo que, cuando se combina con una vida útil prolongada y una mejor respuesta a temperaturas extremas, mejora el rendimiento general. Y la gama más amplia de materiales más baratos y amigables en su construcción reduce su impacto ambiental.
Sin embargo, todavía hay desafíos que superar para llevar las baterías de estado sólido al mercado, y barreras que cruzar antes de que los experimentos exitosos se traduzcan en una producción escalable. Los problemas con el rendimiento bajo las tensiones de la temperatura, la altitud y la vibración tardarán en resolverse antes de que la adopción más amplia sea escalable y segura.
Aunque la ciencia está casi ahí, y hay una inversión industrial a gran escala, se esperan plazos para la adopción masiva dentro de la próxima década.
Mejoras en la química de la batería que permiten un cambio elemental
Solo las opciones de batería mejores y más baratas harán posible la escala de adopción de vehículos eléctricos que esperan los gobiernos de todo el mundo. Dado que la validación de las baterías de estado vendido como la próxima gran novedad tarda en estar lista para la producción, existen mejoras en la química de las baterías que prometen mejoras más inmediatas en la vida útil y la capacidad de la batería.
- El uso de silicio en lugar de ánodos de grafito tradicionales reduce el peso, aumenta la densidad y mejora el rendimiento.
- Las baterías de litio y azufre también tienen mayor densidad, cuestan menos y utilizan materiales más sostenibles. Tienen desafíos que resolver con el ciclo de vida y la estabilidad.
- El sodio es una alternativa más fácilmente disponible al litio, lo que permite obtener baterías de iones de sodio más sostenibles y baratas.
- El uso de litio metálico en baterías podría duplicar la densidad de energía y la autonomía de los vehículos eléctricos.
Ganar la carrera de producción es clave para satisfacer la demanda futura
Solo en Europa se planean 30 instalaciones de fabricación a gran escala, o las llamadas "gigafábricas", destinadas a satisfacer la creciente demanda de baterías para vehículos eléctricos y permitir economías de escala, todo ello impulsado por una importante inversión.
Los gobiernos están ofreciendo incentivos para que las empresas inviertan, ofreciendo incentivos para atraer la fabricación de baterías y ayudando a compensar las grandes inversiones de capital necesarias, En diciembre de 2023, la Comisión Europea anunció una inversión de 3.000 millones de euros para impulsar la industria de fabricación de baterías de la UE, reconociendo la importancia que tiene para la industria racionalizar los procesos de producción, reducir los costes y satisfacer la creciente demanda.
Los fabricantes de automóviles están formando asociaciones estratégicas y empresas conjuntas con fabricantes de baterías para asegurar el suministro, como la asociación del grupo BMW y AESC en la producción y el suministro de celdas de batería.
La primera planta de fabricación de Tesla en Europa, Gigafactory Berlin-Brandeburg, promete crear cientos de miles de vehículos Model Y y millones de celdas de batería. Las técnicas de construcción rápida significan que estas instalaciones se pueden construir muy rápidamente, y la Gigafactory Shanghai de Tesla se completó en solo un año.
Mejoras de rendimiento: una mejor experiencia con los vehículos eléctricos
Abordar las preocupaciones comunes de los clientes y la incertidumbre sobre los vehículos eléctricos es un desafío fundamental para acelerar la adopción de vehículos eléctricos. Algunos clientes siguen sin estar convencidos de que los vehículos eléctricos pueden ofrecer una experiencia comparable o mejor que los vehículos convencionales de combustión interna (ICE).
Se necesita una carga más rápida para que los vehículos eléctricos sean más prácticos para el uso diario al reducir significativamente los tiempos de carga. Para ello, las baterías necesitan una gestión térmica eficiente para que no se sobrecalienten, lo que puede reducir la vida útil de la batería y plantear problemas de seguridad. Se están desarrollando nuevas tecnologías de enfriamiento y materiales que abordan estas preocupaciones sobre la carga rápida.
Se ha demostrado que la carga extremadamente rápida (XFC) desbloquea las limitaciones de transferencia de carga en las baterías de iones de litio de alta energía y aumenta la recarga rápida.
También se está explorando la tecnología de intercambio de baterías, en la que un conductor cambia una batería vacía por una completamente cargada, aunque sería necesario acordar estándares en tecnología para baterías e intercambio de baterías para permitir esto.
Ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos abordará la principal preocupación de los consumidores, la ansiedad por la autonomía, que a menudo se cita como un obstáculo clave para la adopción de los vehículos eléctricos.
Una nueva batería de 24M afirma mejorar significativamente la longevidad y también el valor de reventa de los vehículos eléctricos. Las baterías de 24M utilizan litio metálico en lugar de iones de litio, con una mayor densidad de energía que proporciona una mayor capacidad de almacenamiento y un mayor alcance. Se espera que estén disponibles en los próximos cinco años.
Panasonic anunció una asociación con Sila Nanotechnologies por la que se utilizaría silicio en lugar de grafito, un intercambio que podría implementarse en la actual línea de producción de baterías de Panasonic a partir de 2024.
Los nuevos diseños y materiales de las baterías están configurados para mejorar la durabilidad y la vida útil de las baterías de los vehículos eléctricos, mientras que la gestión térmica mejorada y los sistemas avanzados de gestión de la batería pueden monitorear y optimizar el rendimiento y la vida útil de la batería.
Cerrando el círculo a través de la sostenibilidad y el reciclaje
Actualmente, se espera que las baterías de los vehículos eléctricos tengan una vida útil de 15 a 20 años, o entre 100,000 y 200,000 millas, que parece que durarán más que la vida útil proyectada de 12 años de los vehículos que impulsan.
En el caso de las baterías que sobreviven a la vida útil del vehículo, las opciones de aplicación de segunda vida en las que las baterías se reutilizan prolongan su vida útil y reducen los residuos. Todavía quedan grandes retos por delante a la hora de cerrar el ciclo de la sostenibilidad.
Fuente: Ilustración del proceso de un ciclo de vida de una batería con segunda vida | Descargar Diagrama Científico
Cuando las baterías se reducen al 70-80% de su capacidad original, ya no son viables para un vehículo, pero aún se pueden usar en aplicaciones de almacenamiento de energía estacionarias, almacenando energía de fuentes renovables, donde pueden ayudar a equilibrar la red y proporcionar energía de respaldo.
Las baterías usadas también podrían usarse para sistemas de almacenamiento de energía residenciales para que los propietarios almacenen su propio exceso de energía o electricidad fuera de las horas pico. A mayor escala, el almacenamiento de energía industrial y comercial para centros de datos o fábricas podría ayudar a gestionar los picos de demanda y reducir los costes.
La reutilización en lugar del reciclaje de las baterías de los vehículos eléctricos reduce el coste total de fabricación y crea posibilidades de nuevas oportunidades de ingresos. Algunos lo consideran una opción potencialmente mejor que el reciclaje.
Cuando la reutilización no es posible, el reciclaje puede reducir el impacto ambiental y la dependencia de materias primas escasas. Un reciclaje eficaz mitigaría el daño medioambiental de los residuos mineros y de baterías, y abordaría las crecientes demandas de regulación gubernamental, como la Ley de Regulación de Baterías de la UE.
A medida que la primera generación de vehículos eléctricos llega al final de su vida útil, organizaciones como el Foro Económico Mundial están pidiendo inversión privada para impulsar el reciclaje de baterías de litio a gran escala.
Modelos de Economía Circular que crean un futuro más sostenible
Las empresas están integrando los principios de la economía circular en sus diseños de baterías y procesos de producción, con el objetivo de crear una industria de vehículos eléctricos más sostenible y eficiente en el uso de los recursos. Se necesitarán algunos esfuerzos importantes para rediseñar la cadena de suministro con el fin de lograr los objetivos de cero emisiones netas.
Al diseñar para la reciclabilidad teniendo en cuenta un desmontaje más fácil, utilizando componentes estandarizados y evitando adhesivos difíciles de separar, BMW ha desarrollado baterías que pueden reducirse fácilmente a sus materias primas para el reciclaje.
La Iniciativa Battery Passport de la Global Battery Alliance tiene como objetivo crear una plataforma digital global para compartir información sobre las baterías de los vehículos eléctricos a lo largo de su ciclo de vida, con un etiquetado y una trazabilidad mejorados que faciliten la identificación de los componentes para su reciclaje.
Las asociaciones entre los fabricantes de automóviles y las empresas de reciclaje se están diseñando para garantizar sistemas de circuito cerrado para las baterías. Volkswagen se ha asociado con el especialista en reciclaje Redwood Materials para recuperar materiales de baterías al final de su vida útil en VW y Audi.
Nissan y Renault tienen programas que reutilizan las baterías de los vehículos eléctricos para sistemas de almacenamiento de energía residenciales y comerciales, ya que las empresas diseñan baterías teniendo en cuenta las aplicaciones de segunda vida.
Los sistemas automatizados que desmontan las baterías hacen que el proceso de reciclaje sea más eficiente y rentable. El uso de la robótica y la IA para desmontar los paquetes de baterías de forma segura y rápida puede ahorrar hasta un 33% en comparación con los costes del reciclaje manual.
Las estimaciones afirman que habrá un potencial de ingresos de 10.000 millones de dólares en la economía circular para 2030, y con esto en mente, los inversores, reguladores y fabricantes están buscando las oportunidades que les brindarán éxito comercial y ambiental al mismo tiempo.
Un futuro brillante por delante: ¿Cuál es el siguiente paso para la innovación de las baterías para vehículos eléctricos?
Es fundamental que las innovaciones en la tecnología de baterías para vehículos eléctricos se mantengan al día con la demanda de los clientes de un futuro de mejor rendimiento y más sostenible para la movilidad. Desde la química y el diseño hasta la fabricación escalable, las nuevas tecnologías de baterías están derribando las barreras para una adopción más amplia de los vehículos eléctricos.
Los problemas de durabilidad y vida útil se están resolviendo y la atención se centra cada vez más en los principios de la economía circular que deben cumplirse. Las tecnologías de baterías continúan madurando y escalando, y tienen un papel clave que desempeñar para acelerar la transición a la movilidad eléctrica, al tiempo que contribuyen a un sector del transporte más sostenible.
