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Múltiples vías para mejorar las baterías de los vehículos eléctricos

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Se prevé que el mercado mundial de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos supere los 380.000 millones de dólares en 2034, impulsado principalmente por la demanda de coches eléctricos de batería, pero con un rápido crecimiento también en otros sectores, como furgonetas eléctricas, camiones, autobuses, vehículos de 2 ruedas y vehículos todoterreno. Los objetivos de electrificación y emisiones, la mejora del rendimiento de las baterías y un coste total de propiedad cada vez más atractivo para algunos segmentos de vehículos están impulsando este crecimiento de la demanda de vehículos eléctricos de batería (VE).

No obstante, se buscan mejoras en el rendimiento y el coste de las baterías y, aunque los avances pueden ser cada vez más graduales, existen varias vías para la mejora continua de la tecnología de las baterías de iones de litio.

Baterías
A corto plazo, es probable que se mantengan las tendencias actuales en las celdas de las baterías de los vehículos eléctricos. Por ejemplo, el contenido medio de níquel de las químicas NMC y NCA sigue aumentando para aumentar la densidad energética y reducir el contenido de cobalto. Posiblemente la mayor tendencia sea el cambio general hacia el LFP, una opción más barata y segura que el NMC y el NCA (aunque no intrínsecamente segura). Aunque la densidad energética de la LFP puede ser un 30-40% inferior a la de la NMC o la NCA, las ventajas de su menor coste se han hecho inevitables en los últimos años. Por ello, el porcentaje de PFV en los coches eléctricos ha crecido, aunque hay que señalar que la mayor parte de este crecimiento se ha debido a la readopción en China. La NMC y la NCA siguen siendo las preferidas en Europa y Norteamérica, aunque la LFP ha empezado a entrar en el mercado. Los productos químicos NMC también siguen siendo los preferidos en paquetes llave en mano para otros segmentos de vehículos. No obstante, la presión de los costes y el suministro de materiales, junto con las mejoras tecnológicas, hacen prever que la LFP aumente su cuota en el mercado de los VE.

En el horizonte se vislumbran más avances transformadores. Se siguen anunciando desarrollos de baterías de estado sólido y ya se están comercializando, por ejemplo, a través de las baterías de estado sólido de polímero de Blue Solutions. Se espera que aumente el uso de material de ánodo de silicio con el desarrollo de soluciones de ánodo de silicio más avanzadas y productos comercialmente listos, que prometen mejoras en la densidad energética y la carga rápida. También se siguen explorando nuevas químicas catódicas. Por ejemplo, el fosfato de litio, manganeso y hierro (LMFP) ofrece una alternativa interesante con el potencial de ofrecer muchas de las ventajas del LFP al tiempo que aumenta la densidad energética hasta acercarse a la de las baterías de tipo NMC, aunque su despliegue comercial es aún limitado.

 

Cuota mundial de cátodos en coches eléctricos de batería. Fuente: IDTechEx.

Diseño de las baterías
A la luz de la creciente adopción de las LFP en los vehículos eléctricos, el diseño de las baterías célula a célula adquiere mayor importancia. Estos diseños ofrecen una mayor eficiencia de empaquetado, aumentando la densidad energética para ayudar a reducir una de las principales desventajas del uso de LFP frente a las baterías de tipo NMC o NCA. CATL y BYD han implementado diseños CTP junto con Tesla, Stellantis y otros fabricantes. Para mejorar la densidad de energía gravimétrica, se están impulsando las carcasas ligeras de polímero como alternativa a las carcasas de acero y aluminio.

Otras empresas como CATL, NIO y Our Next Energy están estudiando diseños de doble química. Our Next Energy presenta el ejemplo más extremo, con planes para combinar una química de alta densidad energética pero bajo ciclo de vida como un LFP de autonomía extendida. En última instancia, las combinaciones de distintas químicas de Li-ion, o incluso la combinación de Li-ion con Na-ion, podrían ayudar a optimizar los inevitables equilibrios entre potencia, densidad energética, vida útil y rendimiento a baja temperatura.

Gestión térmica
La gestión térmica y la protección contra incendios se han convertido en aspectos críticos para las baterías de los vehículos eléctricos a la luz de los problemas de seguridad, los incendios de gran repercusión y las retiradas de baterías. Mientras que los primeros modelos de vehículos eléctricos utilizaban refrigeración pasiva por aire, en los últimos años la refrigeración líquida ha adquirido mayor protagonismo en varios segmentos de vehículos. Según datos de IDTechEx, los diseños con refrigeración líquida activa representaban el 90% del mercado de coches eléctricos, frente a poco más del 50% en 2015. Esta tendencia no solo se aplica a los coches eléctricos. La mayoría de las baterías llave en mano para segmentos de vehículos comerciales también se ofrecen con refrigeración líquida. A medida que los avances en la tecnología de celdas comienzan a ser cada vez mayores, los desarrollos en aspectos como la gestión térmica se vuelven cada vez más importantes no solo para mantener un funcionamiento seguro, sino también para maximizar el rendimiento disponible de las baterías de iones de litio.

Sistemas de gestión de baterías
El sistema de gestión de baterías (BMS) desempeña un papel fundamental en el funcionamiento seguro y fiable de cualquier batería de iones de litio. Aunque la funcionalidad principal de un BMS está relativamente bien definida, también ofrece una vía para ampliar las prestaciones de las baterías de iones de litio. Es posible mejorar la seguridad, la vida útil, la carga rápida e incluso la densidad energética gracias a la evolución del BMS y, lo que es más importante, con una necesidad mínima de sacrificar una cosa por otra.

El desarrollo y la aplicación de una estimación más precisa del estado de la batería y las celdas (por ejemplo, el estado de carga, el estado de salud o el estado de potencia) son fundamentales para mejorar el rendimiento, ya que permiten extraer el máximo rendimiento de una batería de forma segura. Además de los avances en software y algoritmos de BMS, también se están comercializando soluciones inalámbricas de BMS. La implantación de soluciones inalámbricas permite prescindir de gran parte del cableado, lo que contribuye a reducir el peso y eliminar posibles fallos. Aunque el despliegue es relativamente lento, con el anuncio inicial de GM para su BMS inalámbrico en 2020, los fabricantes de semiconductores BMS ya ofrecen soluciones para diseños BMS inalámbricos.

El nuevo informe de IDTechEx, "Li-ion Batteries and Battery Management Systems for Electric Vehicles 2024-2034", o", ofrece un análisis de las principales innovaciones, avances y tendencias en baterías de iones de litio y BMS en vehículos eléctricos, incluyendo un análisis de los datos de rendimiento. El informe ofrece una visión general de algunos de los principales impulsores, retos y opciones de tecnología de baterías para múltiples segmentos de vehículos eléctricos.

Autor: Dr. Alex Holland, analista principal de IDTechEx

 

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