Fundamentos de las baterías
Las celdas de batería recargables almacenan energía de forma química y la liberan como electricidad mediante el movimiento de iones cargados entre dos electrodos, mientras los electrones circulan por un circuito externo. La mayoría de los vehículos eléctricos utiliza celdas de iones de litio; las celdas de iones de sodio siguen un principio similar, pero emplean materiales e iones portadores de carga diferentes.
De la celda al pack de batería
Una celda es la unidad electroquímica completa más pequeña capaz de almacenar energía. Una celda suele producir solo unos pocos voltios, por lo que un vehículo eléctrico conecta muchas celdas para obtener la tensión y la energía que necesita.
Las celdas pueden agruparse en módulos, que después se instalan en un pack de batería. Algunos packs más recientes colocan las celdas directamente en la estructura del pack sin carcasas de módulo convencionales.
El pack completo también contiene conexiones eléctricas, equipos de refrigeración o calefacción, sensores, contactores, fusibles, una carcasa protectora y un sistema de gestión de la batería.
El capítulo Pack de batería y configuración explica cómo se conectan y se integran físicamente las celdas.
¿Qué contiene una celda de batería?
Una celda de iones de litio convencional tiene cinco tipos principales de componentes:
- Un electrodo negativo
- Un electrodo positivo
- Un electrolito
- Un separador
- Colectores de corriente para los dos electrodos
El electrodo negativo suele llamarse ánodo, mientras que el positivo se denomina cátodo. Estos nombres describen su función cuando la batería se descarga. La bibliografía sobre baterías suele conservar las mismas denominaciones al hablar de la carga.
Electrodo negativo
El electrodo negativo almacena iones de litio cuando la celda está cargada y los libera cuando se descarga.
La mayoría de las celdas actuales de iones de litio para vehículos eléctricos utiliza grafito como principal material del electrodo negativo. Algunas añaden silicio para aumentar la cantidad de litio que puede almacenar el electrodo. El litio queda alojado dentro del material del electrodo, no almacenado como litio metálico suelto.
Electrodo positivo
El electrodo positivo libera iones de litio durante la carga y los recibe durante la descarga.
Su material activo es uno de los principales factores que definen la química de la celda. Entre las familias de cátodos habituales en vehículos eléctricos se encuentran el fosfato de hierro y litio (LFP), el níquel-manganeso-cobalto (NMC) y el níquel-cobalto-aluminio (NCA).
El capítulo Química y componentes de las celdas explica con más detalle estos materiales y sus ventajas e inconvenientes.
Electrolito
El electrolito permite que los iones se desplacen entre los dos electrodos.
La mayoría de las celdas actuales para vehículos eléctricos utiliza un electrolito líquido que contiene una sal de litio disuelta en disolventes orgánicos. Otros diseños pueden emplear electrolitos de gel, semisólidos, poliméricos o sólidos.
El electrolito conduce los iones dentro de la celda. Los electrones, en cambio, deben circular por el circuito eléctrico externo.
Separador
El separador es una membrana fina y porosa situada entre los electrodos positivo y negativo.
Evita el contacto físico directo entre los electrodos, que podría provocar un cortocircuito interno. Sus poros microscópicos permiten, aun así, que los iones se desplacen a través del electrolito.
Colectores de corriente
Los materiales activos de los electrodos se recubren sobre láminas conductoras finas llamadas colectores de corriente. Estas láminas transportan electrones entre los materiales de los electrodos y los terminales de la celda.
Las celdas convencionales de iones de litio suelen utilizar una lámina de cobre en el lado del electrodo negativo y una de aluminio en el lado del electrodo positivo. (U.S. Department of Energy)
Cómo funciona la descarga
Cuando la celda se descarga, los iones de litio se desplazan desde el electrodo negativo hasta el positivo a través del electrolito y del separador.
Los electrones no pueden seguir la misma trayectoria interna a través del separador. Circulan desde el terminal negativo hasta el positivo por el circuito externo. Este flujo de electrones suministra energía eléctrica al vehículo. (U.S. Department of Energy)
Durante la descarga:
- El electrodo negativo libera iones de litio en el electrolito
- Los iones atraviesan el separador hacia el electrodo positivo
- Los electrones salen del electrodo negativo por su colector de corriente
- Los electrones circulan por el circuito externo
- El electrodo positivo recibe los iones y electrones que regresan
La batería de un vehículo eléctrico suministra corriente continua. La electrónica de potencia del vehículo controla esa energía y la entrega al motor eléctrico y a los demás sistemas de alta tensión.
Cómo funciona la carga
La carga invierte el movimiento de los iones y los electrones.
Una fuente de alimentación externa extrae electrones del electrodo positivo y los suministra al negativo a través del circuito eléctrico. Al mismo tiempo, los iones de litio se desplazan por el electrolito desde el electrodo positivo hasta el negativo.
Durante la carga:
- El electrodo positivo libera iones de litio
- Los iones atraviesan el electrolito y el separador
- Se extraen electrones del electrodo positivo
- El sistema de carga suministra electrones al electrodo negativo
- El electrodo negativo almacena los iones de litio que regresan
- La energía eléctrica se convierte en energía química almacenada
El mismo proceso básico se produce durante el frenado regenerativo. El motor eléctrico actúa como generador y convierte parte de la energía cinética del vehículo en energía eléctrica que puede devolverse a la batería.
La ilustración muestra el principio de funcionamiento que comparten las celdas de iones de litio y de iones de sodio. Las celdas de iones de litio desplazan iones Li⁺ entre los electrodos, mientras que las de iones de sodio desplazan iones Na⁺. Los materiales de sus electrodos, la tensión, el electrolito y los detalles de construcción son diferentes.
Tensión, corriente, potencia y energía
Estos términos describen distintas propiedades de una batería:
- La tensión (V) es la diferencia de potencial eléctrico que impulsa la corriente por un circuito.
- La corriente (A) describe el ritmo del flujo de carga eléctrica.
- La potencia (kW) describe la rapidez con la que la batería entrega o recibe energía.
- La capacidad (Ah) describe cuánta carga eléctrica puede mover una celda o batería.
- La energía (kWh) describe cuánto trabajo eléctrico puede proporcionar la batería.
La potencia eléctrica se calcula a partir de la tensión y la corriente:
Potencia (kW) = Tensión (V) × Corriente (A) ÷ 1,000
La energía nominal aproximada de una batería puede calcularse a partir de la tensión y la capacidad en amperios-hora:
Energía (kWh) ≈ Tensión nominal (V) × Capacidad (Ah) ÷ 1,000
Se trata de una aproximación porque la tensión de la celda cambia continuamente con el estado de carga, la corriente, la temperatura y la química.
Una batería de alta energía puede almacenar una gran cantidad de energía, mientras que una de alta potencia puede entregar o aceptar esa energía rápidamente. El diseño de una batería suele exigir un equilibrio entre densidad energética, potencia, velocidad de carga, durabilidad, seguridad, masa y coste.
Tensión de la celda y límites de funcionamiento
La tensión de una celda procede de la diferencia de potencial electroquímico entre los materiales de sus electrodos positivo y negativo.
La tensión no es constante. Cambia a medida que la celda se carga y se descarga, y la forma de esa variación depende de la química.
Entre los valores nominales habituales se incluyen:
- Aproximadamente 3.2 V para una celda LFP de iones de litio
- Aproximadamente 3.6–3.7 V para muchas celdas NMC y NCA de iones de litio
La tensión nominal es un valor representativo que se utiliza para realizar cálculos y comparaciones. La tensión real de la celda recorre un intervalo de funcionamiento más amplio.
Cada diseño de celda tiene límites de tensión superior e inferior. Cargar por encima del máximo permitido o descargar por debajo del mínimo puede dañar la celda, acelerar su degradación o crear un riesgo para la seguridad.
El sistema de gestión de la batería supervisa la tensión de las celdas y mantiene la batería dentro de su ventana de funcionamiento permitida. También tiene en cuenta la corriente, la temperatura, el estado de carga y las diferencias entre las celdas.
Iones de litio e iones de sodio
Tanto las celdas de iones de litio como las de iones de sodio desplazan iones con carga positiva entre dos electrodos, pero no son tecnologías intercambiables.
Las celdas de iones de litio desplazan iones de litio, representados como Li⁺. Las celdas de iones de sodio desplazan iones de sodio, representados como Na⁺. Los iones de sodio son más grandes e interactúan de forma distinta con los materiales de los electrodos, por lo que estas celdas necesitan materiales y diseños desarrollados específicamente para el sodio.
La mayoría de las celdas de iones de litio utiliza electrodos negativos basados en grafito. Las de iones de sodio suelen utilizar carbono duro. Los materiales del electrodo positivo, la tensión, la densidad energética, el comportamiento térmico, el coste y las cadenas de suministro también son diferentes.
Por tanto, el principio de funcionamiento es similar, pero las características resultantes de las celdas pueden ser muy distintas.
Por qué parte de la energía se convierte en calor
La carga y la descarga no son perfectamente eficientes. Todas las celdas tienen resistencia eléctrica y electroquímica, por lo que parte de la energía se transforma en calor.
La resistencia y la generación de calor dependen de factores como:
- La química y la construcción de la celda
- La temperatura de la batería
- El estado de carga
- La corriente de carga o descarga
- La antigüedad y el estado de la celda
Una corriente más elevada suele producir más calor. Las bajas temperaturas también pueden aumentar la resistencia y reducir la capacidad de la batería para cargarse o entregar potencia.
Estos efectos explican por qué un vehículo eléctrico necesita gestión térmica y por qué la potencia de carga, el frenado regenerativo y la aceleración pueden limitarse cuando la batería está muy fría, caliente, casi llena o casi vacía.
Para profundizar en el funcionamiento de las celdas de iones de litio, este vídeo de The Limiting Factor ofrece una explicación visual útil.