Baterías Start-Stop para vehículos eléctricos híbridos
Descripción general de los vehículos híbridos suaves y las baterías Start-Stop
El mercado automovilístico, que había experimentado un crecimiento sostenido en ventas, se contrajo repentinamente después de 2009. La producción de vehículos eléctricos comenzó a centrarse cada vez más en el sector «verde» de los vehículos híbridos y eléctricos puros. La instalación de un sistema Start-Stop con baterías convencionales SLI (arranque, iluminación e ignición) exige una capacidad de carga y una densidad energética excepcionalmente altas, además de ofrecer un rendimiento de arranque superior al de las baterías SLI estándar. Este enfoque reduce las emisiones de CO₂, pero estos sistemas aún no cumplen con los objetivos gubernamentales de emisiones. Para alcanzar un nivel de costes aceptable, se están transfiriendo más funciones del motor a la batería. Esto exige, fundamentalmente, baterías capaces de proporcionar una mayor potencia y energía de forma fiable, además de funcionar a altas tasas de carga/descarga en un estado de carga parcial de alta tasa (HRPSoC). Las baterías de plomo-ácido utilizadas en estas condiciones tienen una vida útil más corta, lo que obliga a los fabricantes de vehículos eléctricos a adoptar baterías de níquel-metal hidruro (NiMH) y de iones de litio (Li-ion).
Para mantener y ampliar la sólida posición de mercado de las baterías de plomo-ácido, se necesitan nuevas baterías con mayor energía, potencia y vida útil. La tendencia de reemplazo de las baterías SLI sigue en aumento, mientras que los vehículos equipados con sistemas Start-Stop obtienen una reducción adicional de emisiones de CO2 del 3 % al 8 %. Los vehículos eléctricos híbridos suaves e híbridos completos logran mayores reducciones de CO2 (del 15 % al 40 %). Los vehículos eléctricos híbridos enchufables o híbridos completos son más respetuosos con el medio ambiente. Las proyecciones indican que las ventas de vehículos eléctricos híbridos suaves, capaces de reducir las emisiones de CO2 entre un 10 % y un 20 %, seguirán creciendo entre 2020 y 2025. Por otro lado, los vehículos eléctricos híbridos completos o híbridos enchufables utilizarán baterías de níquel-metal hidruro y de iones de litio. Los vehículos eléctricos híbridos suaves todavía dependen principalmente de baterías de plomo-ácido. Esto representa una oportunidad de negocio excepcional para las baterías de plomo-ácido de alto rendimiento. En los próximos 30 años, la posibilidad de que las baterías avanzadas de plomo-ácido se conviertan en la principal fuente de energía para los vehículos eléctricos dependerá de su capacidad para ofrecer una larga vida útil y un alto rendimiento.
En varias reuniones de la Alianza para Baterías Avanzadas de Plomo-Ácido se ha debatido sobre las baterías de plomo-ácido. Durante la última década, se han identificado las causas de su corta vida útil y los mecanismos de fallo, así como soluciones industriales eficaces para abordar este problema. El enfoque más significativo consiste en añadir aditivos de carbono al ánodo para prevenir la sulfatación inducida por las condiciones de alta temperatura y alta concentración de carga (HRPSoC). Han surgido superbaterías con placas de electrodo negativo de alta capacidad a base de carbono, desarrolladas por Furukawa y East Penn. Fabricantes de Asia, Europa y Estados Unidos han incorporado polvo de carbono de gran superficie específica en los materiales activos del electrodo negativo. Si bien este enfoque prolonga la vida útil, otros parámetros de rendimiento permanecen inalterados.
Las baterías de plomo-ácido utilizan solo entre el 35 % y el 40 % de su capacidad teórica de material activo, lo que explica su baja capacidad y potencia específicas. En las baterías de plomo-ácido avanzadas, aumentar la utilización del material activo ofrece un gran potencial para incrementar la energía y la potencia específicas (Wh/kg, W/kg) entre 2 y 3 veces. A continuación, se presenta un ejemplo exitoso: la selección de rejillas adecuadas y la aplicación de un diseño bipolar para mejorar la energía y la potencia específicas.
Parámetros de rendimiento de electrodos bipolares y rejillas mejoradas
| Artículo | Batería de referencia (Batería de control) | Nueva cuadrícula 1 | Nueva cuadrícula 2 | Batería bipolar |
|---|---|---|---|---|
| Energía específica (Wh/kg) | 45 | 45 | 45 | 55 |
| Potencia específica (W/kg) | 450 | 1200 | 900 | 540 |
La adición de aditivos de carbono a las baterías de plomo-ácido avanzadas va más allá de su simple incorporación a la composición del material activo del electrodo negativo. Las formas avanzadas de carbono pueden reemplazar el plomo metálico de la rejilla. Las rejillas de carbono, combinadas con una pasta de plomo adecuada, presentan una estabilidad de ciclo y una durabilidad notablemente superiores, comparables a las de las baterías de níquel-metal hidruro y de iones de litio, como se ilustra en el gráfico anterior.
Las baterías de plomo-ácido utilizadas en vehículos eléctricos híbridos presentan un envejecimiento prematuro de su capacidad. Además, la corrosión y el mantenimiento generan costes adicionales. La causa principal reside en su modo de funcionamiento: las baterías no se utilizan en carga de flotación, sino parcialmente cargadas, con ciclos de carga/descarga de alta intensidad. Esto provoca la sulfatación de las placas negativas, lo que causa una disminución de la capacidad y una reducción de su vida útil. No obstante, es innegable que el rendimiento de las baterías de plomo-ácido está mejorando de forma constante. Muchos diseños nuevos pueden satisfacer los requisitos más exigentes de las aplicaciones modernas. La investigación continua garantizará que las baterías de plomo-ácido sigan siendo la fuente de energía química más vendida.