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Predicciones de innovación en baterías para vehículos eléctricos (2023)

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2022 ha sido un año sin precedentes en todos los aspectos de las energías limpias y sostenibles, y los vehículos eléctricos han estado en primera línea de los comentarios. Esto se debe en gran medida a la aparición de legislación, como el Aviso de Propuesta de Reglamentación de la Administración Federal de Carreteras del Departamento de Transporte de Estados Unidos, que pretende ayudar a crear y estandarizar una red nacional de recarga de vehículos eléctricos (VE).

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Además, la ley, posiblemente una de las mayores inversiones en la historia climática de Estados Unidos, da prioridad a la reducción de los gases de efecto invernadero a través de una multitud de disposiciones, incluidas las que incentivan la industria de los vehículos eléctricos a través de una serie de créditos fiscales. Con tanto énfasis legislativo en el sector de los vehículos eléctricos, la Dra. Michelle Tokarz, Vicepresidenta de Asociaciones e Innovación de The Coretec Group, comenta sus ideas y predicciones sobre la dirección que cree que tomará el sector de las baterías para vehículos eléctricos en 2023.

Retos a los que se enfrenta actualmente el sector de la recarga de vehículos eléctricos

Dado que es probable que la legislación provoque un aumento de la producción de vehículos eléctricos, se necesitarán estaciones de carga adecuadas para satisfacer este incremento de la demanda. Pero multiplicar simplemente la tecnología actual de las estaciones de carga no es la respuesta. Actualmente, la mayoría de las estaciones necesitan un mínimo de 30 minutos para proporcionar una carga razonable, en comparación con los 10-15 minutos necesarios para llenar el depósito de un coche tradicional con motor de combustión interna. La logística de tener muchos más VE en la carretera y mantener sus baterías cargadas podría convertirse rápidamente en una pesadilla. La adopción generalizada de los VE podría conllevar largas colas para acceder a los puertos de recarga. Crear más estaciones de recarga y cargar los coches en casa puede ayudar a reducir estos tiempos de espera, pero la recarga en casa tiene sus propias limitaciones. Depender de este método de recarga conlleva facturas de electricidad más elevadas y limita al usuario a un radio de alcance cercano a su domicilio, lo que significa que los viajes más largos seguirían requiriendo una red de estaciones de recarga. Además, la disponibilidad de recarga en casa no es una realidad para los que viven en zonas más urbanas y pueden aparcar en zonas sin infraestructura de recarga, como en la calle o en cocheras.

Aumento del desarrollo y el uso de ánodos de silicio en las baterías de los vehículos eléctricos

Para paliar estos obstáculos a la adopción generalizada, los científicos y las empresas están investigando más en avances tecnológicos basados en la química que permitan a las baterías de los VE cargarse más rápido, adaptarse a mayores autonomías y asumir ciclos de vida más largos. Aumentar la autonomía de las baterías de los VE sigue siendo una de las formas más sencillas de reducir la dependencia de las estaciones de recarga disponibles. Unos tiempos de carga más rápidos también aliviarían los cuellos de botella de la recarga. Un método para conseguirlo es utilizar ánodos de silicio en las baterías de iones de litio de los vehículos eléctricos. Los principales componentes de las baterías de iones de litio son los colectores de corriente, los ánodos, los cátodos, los separadores y los electrolitos. Tradicionalmente, los ánodos han sido de grafito (una forma particular de carbono), pero el silicio se considera cada vez más el siguiente paso evolutivo lógico en la química de los ánodos de las baterías. Esto se debe, en parte, a que el silicio tiene diez veces más capacidad de carga que los ánodos de grafito tradicionales y puede encontrarse en abundancia. Es, literalmente, el segundo elemento más abundante de la Tierra.

Sin embargo, hay que señalar que, a pesar del enorme aumento de la capacidad de carga del silicio con respecto al grafito, su aplicación se ha visto obstaculizada por la falta de integridad mecánica, la escasa estabilidad cíclica y la baja conductividad. Por estas razones, es poco probable que los ánodos de silicio sustituyan pronto a los de grafito. Pero eso no significa que tengamos que descartar por completo el silicio como solución.

Los investigadores están estudiando activamente formas de solucionar las limitaciones del silicio y crear un camino viable en un futuro próximo. Por ejemplo, se pueden utilizar estructuras únicas y formulaciones de ánodos activos que incorporen escalas de longitud nanométricas, un uso adecuado de fuentes de carbono y una capa sólida de electrolito-interfase (SEI) que pueda resistir mejor la formación y degradación típicas que se producen con las actuales partículas de ánodo de silicio. El silicio ya se utiliza como aditivo en los ánodos de grafito, pero en porcentajes muy bajos. Para obtener realmente la capacidad de carga necesaria que se traduzca en una mejor autonomía, habrá que estar atentos a los avances en silicio.

Los cátodos LFP no son el futuro de las baterías de los VE

es probable que en 2023 se produzca un aumento del uso de cátodos LFP en la carga de VE, sobre todo porque se esperan volúmenes de TODOS los cátodos con el aumento previsto de VE. Los cátodos LFP ofrecen una serie de ventajas, como un menor coste, un mayor ciclo de vida y una mejor resistencia a las altas temperaturas. Pero los materiales de cátodos ternarios como el níquel, manganeso y cobalto (NMC) y el níquel, cobalto y óxido de aluminio (NCA) son actualmente los pilares de las baterías por una razón. Sus homólogos de LFP no tienen tanta capacidad como las baterías de NCA/NMC y su densidad energética es menor. El peso y el volumen necesarios para obtener la capacidad de carga de una LFP la hacen inadecuada para las baterías de los vehículos eléctricos, pero más bien para aplicaciones de almacenamiento en red donde el peso no es una preocupación. Para los VE de gama baja, en los que la autonomía (capacidad de carga disponible) no es tan importante, todavía existen algunos VE basados en cátodos LFP, pero la innovación vendrá probablemente de los cátodos NMC y NCA.

En general, a pesar de estas claras limitaciones, la inflación, los picos de combustible, el aumento de los costes operativos y las condiciones geopolíticas inestables podrían llevar a multitud de desarrolladores de baterías para VE a optar por emplear la tecnología LFP, más barata, pero no a una escala que supere a las baterías NCA/NMC.

Los electrolitos líquidos seguirán dominando el mercado a lo largo de 2023

A pesar de las desventajas de los electrolitos líquidos, como su inflamabilidad y explosividad, es probable que en 2023 continúe su dominio en el mercado de las baterías de iones de litio debido a sus altos niveles de conductividad, intensidad de autodescarga, mayor rango de temperaturas de funcionamiento y humectabilidad en las superficies de los electrodos. En este momento, las únicas alternativas reales conocidas al electrolito líquido son los electrolitos en fase sólida que se encuentran en las baterías de estado sólido. Las baterías de estado sólido tienen un gran potencial para aumentar la capacidad de carga y la seguridad. Sin embargo, todavía están en fase de investigación en toda la industria. Los investigadores calculan que los electrolitos sólidos tardarán entre 5 y 10 años en generalizarse.

Conclusión

A medida que más y más actores se incorporen a la industria de los vehículos eléctricos en 2023 debido a la mayor atención prestada al cambio climático y a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, es probable que las innovaciones en el sector de las baterías de los vehículos eléctricos sigan el mismo camino. Tal y como están las cosas, los tiempos de carga actuales son un claro obstáculo para la adopción masiva del VE, y la industria necesita desarrollar soluciones para abordarlos directamente. En los próximos años veremos nuevas tecnologías que reforzarán nuestras baterías, facilitando su uso y prolongando su vida útil. Los ánodos de silicio, que permiten que las baterías de los vehículos eléctricos se carguen más rápido, retengan más energía y duren mucho más, son imprescindibles para generalizar su uso.