Química y componentes de las celdas

slug: "battery/cellchemistry" articleType: "Technology" category: "technology" status: "Published" language: "es" version: 14 title: "Química y componentes de las celdas" linkTitle: "Química y componentes de las celdas" description: "Explicación de los electrodos, electrolitos, separadores e interfaces de los vehículos eléctricos, así como de las principales químicas de iones de litio y sodio." translationStatus: "Translated" storageType: "Database" contentHash: "fbeec166c24a78658736c47d0b9026ed5449b3800ae0710d8dec5516c730762f"

La química de una batería de vehículo eléctrico influye en cuánta energía pueden almacenar sus celdas, con qué rapidez pueden cargarse, cómo se comportan con frío, cómo envejecen y qué materias primas y procesos de fabricación necesitan.

Nombres como NMC, NCA y LFP suelen describir el material del electrodo positivo, no la celda completa. Por eso, dos baterías vendidas bajo la misma etiqueta pueden ofrecer prestaciones muy distintas; para obtener una explicación general de tensión, corriente, flujo de iones y almacenamiento de energía, comience por Fundamentos de las baterías.

La química es un sistema de celda completo

Una celda recargable es un sistema electroquímico compuesto por varios elementos que interactúan:

Un electrodo positivo
Un electrodo negativo
Un electrolito
Un separador
Dos colectores de corriente
Interfaces protectoras que se forman donde el electrolito entra en contacto con los electrodos

Los dos materiales de los electrodos determinan el mecanismo básico de almacenamiento y la tensión de funcionamiento de la celda. El electrolito transporta iones entre ellos. El separador impide el contacto eléctrico directo y permite el paso de los iones, mientras que los colectores conducen los electrones hasta los terminales de la celda.

Estos elementos no pueden optimizarse de forma independiente. Un electrodo positivo de mayor tensión puede necesitar un electrolito más resistente a la oxidación. Un electrodo negativo rico en silicio necesita aglutinantes, aditivos y controles mecánicos capaces de admitir la expansión. Una celda destinada a la carga rápida puede necesitar electrodos más finos o porosos que otra diseñada para maximizar la densidad energética.

El resultado práctico es importante: la química anunciada es solo el punto de partida. El diseño de las partículas, el grosor de los electrodos, la formulación del electrolito, el formato de la celda, la gestión térmica, los límites de funcionamiento y el software contribuyen a determinar el comportamiento de una batería en un vehículo eléctrico.

Cómo se construye un electrodo

Un electrodo no es una lámina maciza de grafito, LFP o NMC. Normalmente es un recubrimiento compuesto y poroso aplicado sobre una fina lámina metálica.

Un recubrimiento de electrodo convencional contiene:

Material activo, que almacena y libera iones de litio o sodio
Aditivos conductores, normalmente materiales basados en carbono que crean vías para los electrones
Aglutinante, que mantiene unidas las partículas y fija el recubrimiento al colector de corriente
Poros, que permiten al electrolito alcanzar el material activo

El tamaño de las partículas, las proporciones de materiales, el grosor del recubrimiento, la densidad y la porosidad influyen en las prestaciones. El Departamento de Energía de Estados Unidos describe las películas de electrodo como combinaciones de material activo, aditivo conductor y aglutinante, y muestra cómo los componentes inactivos y la carga del electrodo afectan a la densidad energética práctica. (US Department of Energy)

Un electrodo grueso y densamente compactado puede almacenar más energía en relación con la masa de su colector de corriente, separador y carcasa. Sin embargo, los iones y el calor deben recorrer una distancia mayor a través de él. Esto puede limitar la carga rápida y el funcionamiento a alta potencia.

Un electrodo más fino o poroso puede acortar las vías de transporte y reducir los gradientes locales de concentración, pero normalmente utiliza más material inactivo por cada kilovatio-hora almacenado. Por tanto, la ingeniería de la celda debe equilibrar:

Densidad energética gravimétrica: energía por unidad de masa
Densidad energética volumétrica: energía por unidad de volumen
Potencia y capacidad de carga rápida
Generación de calor y refrigeración
Vida útil en ciclos y vida natural
Uso de materiales, velocidad de producción y coste

Esta es una de las razones por las que una química con resultados excepcionales en una celda de botón de laboratorio no ofrece automáticamente la misma ventaja en una celda de tamaño completo para automoción.

Materiales del electrodo negativo

El electrodo negativo, denominado habitualmente ánodo, almacena iones de litio o sodio mientras la celda está cargada. Influye notablemente en la carga rápida, el comportamiento con frío, la eficiencia, la hinchazón y la degradación.

La mayoría de las celdas de iones de litio para vehículos eléctricos utilizan grafito o un compuesto de grafito y silicio. Las celdas de iones de sodio suelen utilizar carbono duro. Otros sistemas de electrodo negativo persiguen ventajas concretas o futuros aumentos de densidad energética.

Grafito

El grafito es el material dominante del electrodo negativo en las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos. Su estructura cristalina en capas permite que los iones de litio se inserten entre láminas de carbono durante la carga y se liberen durante la descarga.

Los fabricantes pueden utilizar:

Grafito natural
Grafito sintético
Mezclas de grafito natural y sintético

El grafito natural puede reducir el uso de energía y el coste de producción del material, mientras que el sintético permite controlar mejor la pureza, la forma de las partículas y la uniformidad. Las mezclas y los recubrimientos se utilizan para ajustar la eficiencia, la durabilidad y las prestaciones de carga.

El grafito es una tecnología madura y puede mantenerse estable durante muchos ciclos, pero su capacidad de almacenamiento es limitada. También es vulnerable a la deposición de litio metálico cuando el litio llega a su superficie más rápido de lo que puede insertarse en la estructura. Una baja temperatura de la celda, una corriente de carga alta y un estado de carga elevado aumentan ese riesgo.

La deposición consume litio utilizable y puede acelerar el envejecimiento. Si es grave o repetida, también puede crear depósitos que aumenten el riesgo de cortocircuito interno. Por eso, un vehículo eléctrico puede reducir la potencia de carga cuando la batería está fría o casi llena.

Ánodos compuestos de silicio y grafito

El silicio puede almacenar mucho más litio por gramo que el grafito, por lo que añadirlo es una de las principales vías con las que los fabricantes intentan aumentar la densidad energética sin sustituir todo el sistema de producción de iones de litio.

La dificultad es la expansión. El silicio completamente litiado puede expandirse aproximadamente un 300%, lo que genera tensiones capaces de agrietar las partículas, romper las conexiones eléctricas y dañar repetidamente la capa superficial protectora. Un estudio de 2024 publicado en Nature Communications describe esta expansión y los riesgos resultantes para el electrodo y el separador. (Nature Communications)

Por tanto, la mayoría de los llamados «ánodos de silicio» para automoción no son de silicio puro. Son electrodos de grafito que contienen una cantidad controlada de silicio o de un material basado en silicio. El grafito proporciona un armazón estable, mientras que el silicio añade capacidad.

Aumentar la proporción de silicio puede mejorar la densidad energética, pero también dificulta la gestión de la hinchazón, la pérdida de litio en el primer ciclo, la estabilidad de las interfaces y el control de fabricación. La celda puede necesitar:

Aglutinantes elásticos
Aditivos del electrolito que formen una capa superficial más estable
Partículas de silicio diseñadas o compuestos de silicio-carbono
Litio adicional para compensar las pérdidas iniciales
Presión y límites de funcionamiento cuidadosamente controlados

La investigación y el desarrollo industrial avanzan desde pequeñas adiciones de silicio hacia electrodos con predominio de este material. Sin embargo, un alto porcentaje de silicio no demuestra por sí solo que una celda vaya a ofrecer alta densidad energética o larga vida útil. El resultado depende del diseño completo del electrodo y la celda. Las investigaciones sobre celdas prácticas con silicio describen la expansión, las interfaces inestables, la hinchazón del electrodo y el agotamiento del electrolito como problemas interrelacionados. (Nature Communications)

Carbono duro

El carbono duro es el principal material de electrodo negativo para las celdas de iones de sodio. Es un carbono no grafitizable, con capas desordenadas, defectos y poros capaces de almacenar el ion de sodio, de mayor tamaño, con más eficacia que el grafito convencional.

Puede producirse a partir de distintos precursores ricos en carbono, incluidas resinas sintéticas y materias derivadas de biomasa. Su estructura porosa, los defectos, la superficie específica y el tratamiento térmico influyen notablemente en la capacidad, la eficiencia del primer ciclo y las prestaciones a distintas tasas.

El mecanismo de almacenamiento es más complejo que una simple inserción entre capas perfectamente ordenadas. El sodio puede almacenarse en defectos, entre capas de carbono desordenadas y en nanoporos. Continúan las investigaciones sobre la contribución de cada mecanismo bajo condiciones prácticas. (Nature Communications)

El carbono duro no es automáticamente barato por el mero hecho de que su materia prima sea abundante. La purificación, el tratamiento térmico, el rendimiento, la uniformidad, la pérdida inicial de sodio y la densidad del electrodo influyen en el coste y la densidad energética de una celda terminada.

Titanato de litio

El titanato de litio, normalmente abreviado LTO, sustituye el grafito por óxido de titanato de litio en el lado del electrodo negativo.

LTO funciona a un potencial más alto que el grafito. Esto reduce considerablemente la tendencia a la deposición de litio y permite alta potencia, carga rápida y una larga vida útil en ciclos. Su estructura también cambia muy poco cuando el litio entra y sale.

La contrapartida es una menor tensión de celda y, por tanto, una menor densidad energética al combinarlo con un determinado electrodo positivo. En consecuencia, LTO resulta atractivo cuando la potencia, la durabilidad, el funcionamiento a baja temperatura o los ciclos frecuentes importan más que obtener la máxima autonomía con un volumen de batería limitado.

El Departamento de Energía de Estados Unidos identifica el grafito o carbono como ánodo predominante de las baterías de iones de litio y LTO como alternativa empleada en algunas aplicaciones de alta potencia o larga vida útil en ciclos. (US Department of Energy)

Litio metálico

Un electrodo negativo de litio metálico almacena el litio directamente como metal, en vez de alojarlo dentro de una estructura de grafito o silicio. Eliminar el material anfitrión podría aumentar considerablemente la densidad energética a nivel de celda.

El problema central es la reversibilidad. El litio debe depositarse y retirarse de forma uniforme en cada ciclo. Los depósitos irregulares, las reacciones repetidas con el electrolito, el litio inactivo, los cambios de volumen y los daños al separador pueden reducir la vida útil y generar riesgos para la seguridad. El Departamento de Energía de Estados Unidos describe las celdas de litio metálico como una vía hacia baterías más pequeñas y ligeras, aunque señala sus dificultades de recargabilidad y seguridad. (US Department of Energy)

El litio metálico no es lo mismo que el estado sólido. Una celda de litio metálico puede utilizar electrolito líquido, en gel, polimérico o sólido. Una celda de estado sólido puede emplear litio metálico, pero también otro electrodo negativo. Estos términos describen partes distintas de la celda.

Para conocer los programas de desarrollo y anuncios comerciales actuales, consulte Últimos avances en la tecnología de baterías.

Materiales del electrodo positivo

El electrodo positivo, denominado habitualmente cátodo, es el origen de la mayoría de los nombres conocidos de las químicas de iones de litio. Su estructura y composición influyen notablemente en la tensión, la capacidad, la estabilidad térmica, el coste de los materiales y el envejecimiento de la celda.

El Departamento de Energía de Estados Unidos enumera LFP, NMC, NCA, LMO y varios materiales más como clases distintas de electrodo positivo para baterías de iones de litio. (US Department of Energy)

NMC o NCM

NMC y NCM significan ambos óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto. El orden de las letras cambia entre convenciones de nomenclatura; describen la misma familia general de materiales de óxido en capas.

Números como 111, 532, 622 y 811 describen las proporciones relativas aproximadas de níquel, manganeso y cobalto. NMC 811, por ejemplo, contiene aproximadamente ocho partes de níquel, una de manganeso y una de cobalto.

Dentro de esta familia:

El níquel contribuye en gran medida a la capacidad y, por tanto, a la densidad energética.
El manganeso puede favorecer la estabilidad estructural y térmica y reducir la dependencia del níquel y el cobalto.
El cobalto ayuda a estabilizar la estructura en capas y favorece el comportamiento electrónico y de fabricación, pero es caro y presenta problemas en la cadena de suministro.

Aumentar el contenido de níquel puede elevar la capacidad y reducir el uso de cobalto, pero también aumenta la sensibilidad a la humedad, la alta tensión, las reacciones superficiales y el calor. Los fabricantes lo abordan mediante recubrimientos de partículas, dopantes, gradientes de concentración, aditivos del electrolito y un control más estricto de la producción y el funcionamiento.

La explicación de NCM de LG Energy Solution también presenta un mayor contenido de níquel como una vía hacia más capacidad y describe la estabilidad como un reto de ingeniería. (LG Energy Solution)

Por tanto, la etiqueta «NMC» abarca una gran variedad de prestaciones. Una celda NMC antigua con poco níquel y otra moderna rica en níquel no deben considerarse equivalentes.

NCA

NCA significa óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio. Como NMC con alto contenido de níquel, es un material de óxido en capas desarrollado para ofrecer alta energía específica y potencia elevada.

El níquel aporta gran parte de su capacidad, el cobalto favorece la estructura en capas y el comportamiento electrónico, y el aluminio ayuda a estabilizar el material. NCA suele combinarse con un electrodo negativo de grafito o grafito-silicio.

NCA puede permitir celdas de alta energía para vehículos eléctricos, pero el resultado depende de la ingeniería de partículas, la estabilidad del electrolito, el control térmico y unos límites de tensión conservadores. No es inherentemente «mejor» que NMC; cada familia puede optimizarse para distintas prioridades.

NCMA

NCMA contiene níquel, cobalto, manganeso y aluminio. Combina los cuatro metales en un electrodo positivo de óxido en capas, normalmente con un contenido elevado de níquel.

El objetivo es conservar la ventaja de capacidad del material rico en níquel y utilizar manganeso y aluminio para mejorar la estabilidad y reducir la cantidad de cobalto necesaria. LG Energy Solution describe el aluminio como un elemento que contribuye a la potencia y la estabilidad de su material NCMA. (LG Energy Solution)

Al igual que con NMC y NCA, el acrónimo no revela la receta exacta. Siguen siendo importantes las proporciones metálicas, los recubrimientos, los dopantes, la estructura de las partículas, la tensión superior y la calidad de fabricación.

LFP

LFP significa litio-ferrofosfato. Presenta una estructura cristalina olivina basada en fuertes enlaces de fosfato y no contiene níquel ni cobalto.

Sus principales ventajas son:

Alta estabilidad térmica y química
Potencial de larga vida útil en ciclos
Buena capacidad de potencia cuando está correctamente diseñada
Menor exposición a las cadenas de suministro de níquel y cobalto

Su principal limitación es una densidad energética a nivel de celda inferior a la de los mejores sistemas de óxido en capas ricos en níquel. La menor tensión de funcionamiento y la menor densidad del material implican que un pack LFP puede necesitar más volumen o masa de celdas para almacenar la misma energía.

LFP también presenta una curva de tensión relativamente plana en gran parte de su intervalo utilizable del estado de carga. Esto dificulta estimarlo a partir de la tensión, por lo que el sistema de gestión de la batería depende en gran medida de la medición de corriente, los modelos y recalibraciones ocasionales.

La carga a baja temperatura puede resultar difícil porque el electrodo negativo sigue siendo normalmente de grafito. Por tanto, la calefacción del pack, el diseño de las celdas y los controles de carga importan tanto como el propio electrodo positivo LFP.

La reputación de durabilidad de LFP no significa que sea inmune al envejecimiento natural ni que todas las baterías LFP deban permanecer al 100% del estado de carga. Los propietarios deben seguir las instrucciones de carga del fabricante; algunas recomendaciones de carga completa periódica están destinadas en parte a facilitar la calibración del estado de carga.

LMFP

LMFP significa litio-manganeso-ferrofosfato. Modifica el material LFP sustituyendo parte del hierro por manganeso.

La aportación del manganeso eleva la tensión durante parte de la curva de descarga, lo que ofrece a LMFP la posibilidad de alcanzar una densidad energética mayor que LFP, manteniendo una estructura basada en fosfato y evitando el níquel y el cobalto.

El material también introduce dificultades. Entre ellas se encuentran una menor conductividad eléctrica e iónica intrínseca, la disolución del manganeso y la necesidad de controlar la composición y los recubrimientos de las partículas. Una revisión reciente del desarrollo de LMFP analiza la ventaja de mayor tensión junto con las limitaciones de conductividad, difusión, densidad y las relacionadas con el manganeso. (Engineering)

LMFP puede utilizarse como material independiente del electrodo positivo o mezclarse con otro material. Su ventaja real depende de cuánto manganeso se utilice, la ventana de tensión, la densidad del electrodo, la vida útil en ciclos y el diseño de la celda completa.

LMO y electrodos positivos mezclados

LMO suele referirse al óxido de litio y manganeso con estructura de espinela. Puede ofrecer alta potencia y buen comportamiento térmico, pero por sí solo suele tener menor densidad energética y puede sufrir disolución de manganeso y pérdida de capacidad, especialmente a temperaturas elevadas.

Las celdas para automoción han mezclado con frecuencia LMO y NMC. En una mezcla de este tipo, LMO puede favorecer la entrega de potencia mientras NMC aporta capacidad energética. Un electrodo mezclado no es una categoría electroquímica nueva: es una combinación deliberada para equilibrar prestaciones, vida útil, coste y seguridad.

Son posibles otras mezclas. Los …262 tokens truncated…icional del pack y la madurez de la cadena de suministro influyen en el coste.

Electrodo negativo de iones de sodio

El grafito convencional almacena litio con eficacia, pero no admite bien el sodio en los electrolitos empleados normalmente en las celdas comerciales de iones de sodio. Por eso, el carbono duro es la opción práctica estándar.

La estructura y la química superficial del carbono duro deben ajustarse para conseguir:

Capacidad reversible de sodio
Alta eficiencia del primer ciclo
Densidad de electrodo suficiente
Formación de una interfaz estable
Transporte rápido de iones
Producción uniforme, reproducible y escalable

La pérdida del primer ciclo es especialmente importante porque el sodio consumido al formar la interfaz deja de estar disponible para transportar energía durante los ciclos posteriores.

Familias de electrodos positivos para iones de sodio

El desarrollo de los iones de sodio incluye tres grandes familias de electrodos positivos:

Óxidos en capas, que pueden ofrecer capacidad y tensión relativamente altas, pero pueden ser sensibles al aire, la humedad o los cambios estructurales
Compuestos polianiónicos, que utilizan armazones estables como fosfatos o sulfatos y pueden priorizar la durabilidad, la tensión o la estabilidad térmica
Análogos del azul de Prusia, que presentan estructuras cristalinas abiertas capaces de favorecer un transporte rápido de sodio, pero requieren un control cuidadoso del contenido de agua, las vacantes y la densidad del material

La literatura académica identifica los óxidos en capas, los compuestos polianiónicos y los análogos del azul de Prusia como las principales familias de cátodos para iones de sodio. (Nature Communications)

Estas familias no deben tratarse como una única «química de sodio» universal. Al igual que difieren las celdas de iones de litio NMC y LFP, las de iones de sodio pueden diseñarse para distintos equilibrios entre energía, potencia, funcionamiento con frío, vida útil y coste.

Dónde encajan los iones de sodio

Las celdas actuales de iones de sodio suelen tener menor densidad energética que las mejores celdas de iones de litio para vehículos eléctricos. Esto las hace menos atractivas cuando es necesario alojar la máxima autonomía en el pack más pequeño y ligero posible.

Pueden resultar adecuadas para:

Vehículos eléctricos pequeños o económicos
Vehículos en los que una autonomía extrema no es prioritaria
Packs híbridos que combinen tipos de celda complementarios
Almacenamiento estacionario y otras aplicaciones menos limitadas por la masa y el volumen

El comportamiento con frío puede ser una ventaja relativa de algunos diseños de iones de sodio, pero no lo garantiza la palabra «sodio». Los materiales de los electrodos, el electrolito, la resistencia de la celda, el sistema térmico y los límites de funcionamiento siguen determinando las prestaciones reales.

La disponibilidad comercial se desarrolla rápidamente. Para mantener vigente este capítulo fundamental, los productos actuales y las afirmaciones de los proveedores se tratan en Últimos avances en la tecnología de baterías.

Electrolito

El electrolito transporta iones entre los electrodos, pero debe bloquear los electrones. La mayoría de las celdas actuales de iones de litio para vehículos eléctricos utiliza una sal de litio disuelta en disolventes orgánicos, junto con pequeñas cantidades de aditivos.

La formulación influye en:

Conductividad iónica
Comportamiento a baja y alta temperatura
Prestaciones de carga rápida
Generación de gases
Estabilidad con potenciales altos y bajos de los electrodos
Formación de interfaces protectoras en los electrodos
Inflamabilidad y respuesta al abuso

Un electrolito que funciona bien con grafito y LFP puede no ser adecuado para un electrodo positivo rico en níquel y de alta tensión o para un electrodo negativo con predominio de silicio. Los fabricantes ajustan las sales, los disolventes, los paquetes de aditivos y la concentración para adaptarlos a los electrodos y la ventana operativa.

Las celdas de iones de sodio utilizan sales que contienen sodio y disolventes compatibles. Sus formulaciones resuelven muchos de los mismos problemas, pero deben formar interfaces estables sobre materiales de electrodo diferentes.

Electrolitos líquidos, en gel, poliméricos y sólidos

Estado sólido describe la arquitectura del electrolito, no la química del electrodo positivo. Una celda de estado sólido puede seguir utilizando un electrodo positivo tipo NMC, y puede emplear litio metálico, silicio, grafito u otro electrodo negativo.

Sustituir un electrolito líquido inflamable puede aportar ventajas de seguridad y empaquetado, pero los electrolitos sólidos introducen otras dificultades:

Mantener un contacto íntimo entre capas sólidas
Evitar grietas y huecos cuando los electrodos cambian de volumen
Conseguir una alta conductividad iónica en un amplio intervalo de temperaturas
Controlar la resistencia en las interfaces entre materiales
Fabricar capas finas y sin defectos a escala de automoción

Algunos diseños denominados «de estado sólido» conservan una pequeña cantidad de líquido o gel. Términos como semisólido, cuasisólido y estado sólido no siempre se utilizan de forma uniforme, por lo que la construcción importa más que la etiqueta comercial.

SEI y CEI: las interfaces que hacen funcionar la celda

El electrolito no es perfectamente estable a los potenciales de funcionamiento de los electrodos. Durante las primeras cargas, parte del electrolito se descompone y forma finas capas de reacción en sus superficies.

La capa del electrodo negativo es la interfase de electrolito sólido, o SEI. Una capa relacionada del electrodo positivo suele denominarse interfase cátodo-electrolito, o CEI.

Una interfaz útil debe:

Conducir iones de litio o sodio
Bloquear la mayor parte del flujo de electrones
Limitar la descomposición continuada del electrolito
Mantenerse mecánica y químicamente estable durante los ciclos

Crear la SEI consume parte del litio o sodio activo, lo que provoca parte de la pérdida inicial de capacidad de la celda. Si la interfaz se agrieta o disuelve, se consumen más electrolito e iones activos para repararla.

Esto resulta especialmente difícil con el silicio porque el electrodo negativo cambia de volumen. También plantea problemas con tensiones altas del electrodo positivo, donde la oxidación del electrolito y la disolución de metales de transición pueden dañar ambos lados de la celda. Por tanto, los aditivos del electrolito, los recubrimientos, los procedimientos de formación y los límites de funcionamiento son partes fundamentales de la química, aunque no aparezcan en su acrónimo. (Nature Communications)

Separador

El separador es una membrana fina y eléctricamente aislante situada entre los electrodos positivo y negativo. Sus poros contienen electrolito y permiten el paso de iones, mientras que la membrana impide el contacto directo entre los electrodos.

Los separadores habituales de iones de litio emplean polietileno, polipropileno o combinaciones multicapa. Los recubrimientos cerámicos pueden mejorar la resistencia térmica, la humectación, la resistencia mecánica o la estabilidad dimensional.

Algunos separadores poliméricos están diseñados para que sus poros se cierren cuando aumenta la temperatura, elevando bruscamente la resistencia y ralentizando la reacción electroquímica. Este comportamiento de desconexión puede añadir protección, pero no constituye un sistema de seguridad completo. Si el separador continúa encogiéndose, se rasga, queda perforado o sufre daños antes de que la desconexión pueda ayudar, todavía puede producirse un cortocircuito interno. Las investigaciones sobre separadores de iones de litio describen tanto la desconexión como el riesgo de fallo a temperaturas más altas. (ACS Omega)

Las propiedades del separador también influyen en el funcionamiento normal. El grosor, la porosidad, la tortuosidad, la humectación por el electrolito, la resistencia a la perforación y la uniformidad del recubrimiento afectan a la resistencia, la carga, la densidad energética, la calidad de producción y la seguridad.

Colectores de corriente

Los colectores de corriente son finas láminas metálicas que transportan electrones entre los recubrimientos de los electrodos y los terminales de la celda.

En las celdas convencionales de iones de litio:

El electrodo negativo suele estar recubierto sobre lámina de cobre
El electrodo positivo suele estar recubierto sobre lámina de aluminio

El cobre se utiliza en el lado del grafito porque el aluminio puede formar una aleación con el litio al bajo potencial de un electrodo de grafito cargado. El aluminio es más ligero y estable al potencial más alto del electrodo positivo.

LTO funciona a un potencial superior y puede utilizar aluminio en el lado del electrodo negativo, como señala la evaluación de baterías de iones de litio del Departamento de Energía de Estados Unidos. (US Department of Energy)

El grosor del colector constituye otro compromiso. Una lámina más fina reduce la masa inactiva y puede mejorar la densidad energética, pero debe resistir el recubrimiento, el secado, el calandrado, el bobinado o apilado, la soldadura de pestañas y años de ciclos.

Comparación de los principales sistemas de celdas para vehículos eléctricos

Ninguna familia lidera todas las métricas. Los perfiles siguientes describen tendencias habituales, no propiedades garantizadas.

Grafito o silicio-grafito con NMC, NCA o NCMA

Ventajas típicas: alta densidad energética, gran capacidad de potencia y amplio desarrollo para automoción.

Limitaciones típicas: mayor dependencia del níquel y, en ocasiones, del cobalto; mayores exigencias para la gestión térmica, el control de tensión y la estabilidad de las interfaces a medida que aumentan el contenido de níquel y la tensión de celda.

Esta combinación resulta atractiva cuando la autonomía y la eficiencia de empaquetado son prioritarias. El silicio puede añadir capacidad, pero una mayor cantidad también incrementa los problemas de hinchazón e interfaces.

Grafito con LFP

Ventajas típicas: estabilidad térmica, potencial de larga vida útil en ciclos, gran capacidad de potencia y ausencia de níquel y cobalto en el electrodo positivo.

Limitaciones típicas: menor densidad energética a nivel de celda y una curva de tensión plana que dificulta estimar el estado de carga.

LFP puede ser muy competitivo a nivel de pack cuando una integración eficiente de celda a pack compensa parte de la diferencia de densidad energética de las celdas.

Grafito con LMFP

Ventajas típicas: posibilidad de almacenar más energía que LFP manteniendo un armazón de fosfato y evitando el níquel y el cobalto.

Limitaciones típicas: conductividad, estabilidad del manganeso y una base de fabricación a gran escala menos madura que la de LFP consolidado.

Su posición depende de que los fabricantes puedan materializar la ventaja de tensión sin sacrificar vida útil, eficiencia o coste.

LTO con un electrodo positivo de iones de litio

Ventajas típicas: carga rápida, alta potencia, bajo riesgo de deposición de litio y potencial de vida útil muy larga en ciclos.

Limitaciones típicas: baja tensión y densidad energética de la celda, que aumentan la masa y el volumen del pack para una energía almacenada determinada.

Este sistema se adapta mejor a ciclos de trabajo exigentes que a turismos eléctricos de larga autonomía, donde la eficiencia de empaquetado es fundamental.

Carbono duro con un electrodo positivo de iones de sodio

Ventajas típicas: posibilidad de utilizar materiales abundantes, menor dependencia del litio y el níquel en muchos diseños, y prestaciones prometedoras de potencia o con frío en determinadas celdas.

Limitaciones típicas: menor densidad energética que las mejores celdas de iones de litio, pérdida de sodio en el primer ciclo y un ecosistema de producción en desarrollo.

La familia exacta del cátodo marca una diferencia importante, por lo que «iones de sodio» no es una especificación suficiente.

Arquitecturas de litio metálico y estado sólido

Ventajas típicas: posibilidad de una mayor densidad energética y, en algunos diseños con electrolito sólido, características distintas de seguridad y empaquetado.

Limitaciones típicas: resistencia de las interfaces, deposición desigual de litio, gestión de presión, durabilidad, requisitos de temperatura y fabricación difícil a gran escala.

Estos dos conceptos se solapan, pero no son intercambiables. Toda comparación debe identificar ambos electrodos, el tipo de electrolito, las condiciones de ensayo, el tamaño de la celda, la capacidad conservada y si las cifras corresponden a un material, una celda de laboratorio o una celda a escala de automoción.

Qué significa la química para un comprador

La química influye en un vehículo eléctrico, pero no predice por sí sola toda la experiencia de propiedad.

Autonomía y empaquetado

Una mayor densidad energética de la celda puede proporcionar más autonomía para una masa y un volumen de pack determinados. Sin embargo, también importan la capacidad utilizable, la estructura del pack, el hardware de refrigeración, la protección en caso de impacto, la eficiencia del vehículo y los búferes de reserva.

Por tanto, una celda de menor energía bien integrada puede crear un pack competitivo, mientras que una celda de alta energía puede perder parte de su ventaja por una refrigeración más pesada o unos límites de funcionamiento conservadores.

Carga

La carga rápida depende de la capacidad del electrodo negativo para aceptar iones, los límites de transporte del electrodo positivo, el grosor de los electrodos, la resistencia interna, la temperatura, el estado de carga y la estrategia de gestión de la batería.

La química ayuda a establecer los límites, pero el rendimiento de carga de la batería y el sistema de preacondicionamiento revelan más sobre un vehículo concreto. Dos coches que utilicen LFP o NMC pueden tener tiempos de carga muy distintos.

Clima frío

Una baja temperatura ralentiza el transporte de iones y aumenta la resistencia. También incrementa el riesgo de deposición de litio durante la carga de celdas basadas en grafito.

Algunas químicas y electrolitos toleran mejor el frío que otros, pero la calefacción del pack y el software pueden pesar más que la etiqueta química. Compare el comportamiento real del vehículo, incluida su capacidad para precalentar la batería antes de la carga rápida.

Durabilidad

La vida útil en ciclos depende de la profundidad de descarga, la tasa de carga, la temperatura de las celdas, el estado de carga medio, el tiempo transcurrido cerca de los límites de tensión y la ventana utilizable del fabricante.

Una química con gran vida útil en ciclos de laboratorio puede envejecer mal en un pack caliente que permanece con un estado de carga elevado. A la inversa, unos búferes conservadores y una refrigeración eficaz pueden ayudar a que una química más reactiva dure muchos años. Consulte Degradación de la batería para conocer los mecanismos de envejecimiento y Garantía de la batería para conocer la protección ofrecida al propietario.

Seguridad

Algunos materiales del electrodo positivo son más estables térmicamente que otros, pero la seguridad de un vehículo no puede clasificarse solo por el acrónimo del cátodo. Contribuyen la calidad de las celdas, el diseño del separador, la cantidad de electrolito, las barreras de propagación, los sensores, la refrigeración, las protecciones eléctricas, la estructura contra impactos y el software.

La estructura estable de fosfato de LFP es una ventaja, pero no hace imposible dañar o incendiar un pack. Las celdas ricas en níquel requieren controles más estrictos, aunque un pack bien diseñado puede gestionar esos riesgos.

Coste y exposición a los materiales

LFP y varios diseños de iones de sodio evitan el níquel y el cobalto, mientras que los óxidos en capas ricos en níquel utilizan materiales que requieren más procesamiento a cambio de una alta energía. Sin embargo, el coste del pack también incluye el rendimiento de fabricación de las celdas, la utilización de la fábrica, la estructura del pack, la electrónica, la refrigeración, el riesgo de garantía y la escala de producción.

Por tanto, la composición de las materias primas es una parte del coste, no la respuesta completa.

Una misma etiqueta puede ocultar grandes diferencias

Al comparar dos vehículos eléctricos, no se limite a «LFP» o «NMC» y pregunte:

¿Cuáles son las capacidades bruta y utilizable de la batería?
¿Qué autonomía ofrece el vehículo completo?
¿Cómo es la curva de carga con temperaturas altas y bajas?
¿Admite el vehículo el preacondicionamiento de la batería?
¿Qué tamaño tienen los búferes superior e inferior?
¿Cómo controla la temperatura el fabricante?
¿Qué garantía de batería y umbral de degradación se aplican?
¿Las prestaciones declaradas se miden a nivel de celda o de pack?

La química explica por qué existen determinados compromisos. La celda, el pack y el vehículo terminados determinan cómo aparecen esos compromisos en el uso diario.

Para ver cómo se empaquetan y conectan estos materiales, continúe con Formatos de las celdas y Pack de baterías y configuración.