¿De Qué Están Hechas las Baterías de los Coches Eléctricos? Componentes y Funcionamiento

Las baterías de automóviles son componentes esenciales para el funcionamiento de cualquier vehículo, desde un utilitario hasta un camión de gran tonelaje. Sin una batería en buen estado, el arranque y la operación de un vehículo serían imposibles. La batería de un automóvil es un componente esencial que proporciona la energía eléctrica necesaria para arrancar el motor, alimentar los sistemas eléctricos cuando el motor no está en marcha y estabilizar el voltaje del sistema eléctrico mientras el motor está funcionando.

Tipos de Baterías para Autos: Un Panorama General

Aunque existen diversas tecnologías, las baterías de plomo-ácido siguen siendo las más comunes, especialmente en vehículos con motores de combustión interna. Sin embargo, las baterías de iones de litio están ganando terreno, particularmente en el ámbito de los vehículos eléctricos e híbridos. Exploraremos ambas tecnologías en detalle.

Baterías de Plomo-Ácido: La Tecnología Tradicional

Las baterías de plomo-ácido son una tecnología madura y bien establecida. Su principal ventaja reside en su costo relativamente bajo y su capacidad para proporcionar una alta corriente de arranque. Sin embargo, presentan desventajas como su peso considerable y una vida útil limitada en comparación con otras tecnologías.

Componentes Esenciales de una Batería de Plomo-Ácido

Una batería de plomo-ácido está compuesta por varios elementos clave:

• Placas de Plomo: Son el corazón de la batería. Existen dos tipos: placas positivas (dióxido de plomo, PbO2) y placas negativas (plomo esponjoso, Pb). Estas placas reaccionan con el electrolito para generar electricidad.
• Electrolito: Es una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) y agua destilada. El electrolito actúa como medio conductor para el flujo de iones entre las placas, permitiendo la reacción química que genera la corriente eléctrica. La concentración del ácido sulfúrico es crucial para el rendimiento de la batería.
• Separadores: Son láminas porosas, generalmente de plástico o fibra de vidrio, que se colocan entre las placas positivas y negativas para evitar el contacto directo y, por lo tanto, cortocircuitos. Deben ser permeables al electrolito para permitir el flujo de iones.
• Celdas: Una batería de 12 voltios típica para automóviles está formada por seis celdas conectadas en serie. Cada celda genera aproximadamente 2.1 voltios. La conexión en serie suma el voltaje de cada celda para alcanzar el voltaje total de la batería.
• Caja o Carcasa: Es el contenedor que alberga todos los componentes internos de la batería. Generalmente está fabricada de plástico resistente a los ácidos y a los impactos. La carcasa es la estructura exterior de la batería, generalmente hecha de polipropileno resistente a los ácidos y a los impactos. Su función principal es contener todos los componentes internos y protegerlos del entorno externo, incluyendo vibraciones, temperaturas extremas y derrames de ácido.
• Bornes: Son los terminales de conexión (+) y (-) que permiten conectar la batería al sistema eléctrico del vehículo. Están fabricados de plomo u otros metales conductores. Generalmente, el borne positivo (+) es más grande y está marcado con un símbolo "+" o un color rojo, mientras que el borne negativo (-) es más pequeño y está marcado con un símbolo "-" o un color negro. Fabricados de plomo o una aleación de plomo, deben ser resistentes a la corrosión y proporcionar una buena conductividad eléctrica.
• Conectores Intercelda: Unen las celdas individuales en serie para alcanzar el voltaje total deseado (normalmente 12V en automóviles). Estos conectores deben ser de baja resistencia para minimizar la pérdida de energía y garantizar una distribución uniforme de la corriente entre las celdas.
• Tapones de Ventilación (en Baterías no Selladas): Las baterías de plomo-ácido convencionales tienen tapones de ventilación en la parte superior de cada celda. Estos tapones permiten la liberación de gases (hidrógeno y oxígeno) que se producen durante la carga y descarga, y también permiten la reposición de agua destilada para mantener el nivel correcto del electrolito. Es crucial verificar y rellenar el agua destilada periódicamente para prolongar la vida útil de la batería.

Funcionamiento Químico Detallado

El funcionamiento de una batería de plomo-ácido se basa en una reacción electroquímica reversible. Durante la descarga (cuando la batería suministra energía), el plomo de las placas negativas reacciona con el ácido sulfúrico para formar sulfato de plomo (PbSO4) y liberar electrones. En la placa positiva, el dióxido de plomo también reacciona con el ácido sulfúrico para formar sulfato de plomo y acepta electrones. Este flujo de electrones a través de un circuito externo es lo que proporciona la corriente eléctrica.

La reacción de descarga se puede resumir de la siguiente manera:

Pb(s) + PbO2(s) + 2 H2SO4(ac) ⇌ 2 PbSO4(s) + 2 H2O(l)

Durante la carga (cuando la batería se recarga), la reacción se invierte. El sulfato de plomo se convierte nuevamente en plomo y dióxido de plomo, regenerando el ácido sulfúrico. Este proceso requiere una fuente de energía externa, como el alternador del vehículo o un cargador de baterías.

Consideraciones sobre el Electrolito

La concentración del electrolito (ácido sulfúrico) influye directamente en el rendimiento de la batería. Una concentración demasiado baja puede reducir la capacidad de la batería para generar corriente, mientras que una concentración demasiado alta puede dañar las placas y reducir la vida útil de la batería. La densidad del electrolito se mide con un hidrómetro y se utiliza como indicador del estado de carga de la batería.

Baterías de Iones de Litio: La Tecnología del Futuro (y del Presente)

Las baterías de iones de litio (Li-ion) son la tecnología dominante en vehículos eléctricos y están ganando popularidad en vehículos híbridos y, en menor medida, en vehículos con motor de combustión interna (generalmente para sistemas start-stop). Ofrecen una mayor densidad energética, un menor peso y una vida útil más larga en comparación con las baterías de plomo-ácido. Las baterías de ion de litio y las baterías de estado sólido son las tecnologías más prometedoras para el futuro, y se espera que ofrezcan mayor densidad de energía, mayor vida útil y menor impacto ambiental.

Componentes Esenciales de una Batería de Iones de Litio

Una batería de iones de litio está compuesta por los siguientes elementos clave:

• Cátodo (Electrodo Positivo): Generalmente está hecho de un óxido metálico de litio, como óxido de litio cobalto (LiCoO2), fosfato de hierro y litio (LiFePO4) o óxido de níquel manganeso cobalto (NMC). Este material almacena iones de litio.
• Ánodo (Electrodo Negativo): Típicamente está hecho de grafito. También almacena iones de litio.
• Electrolito: Es una solución líquida, gel o polímero que contiene sales de litio disueltas en un disolvente orgánico. Permite el movimiento de los iones de litio entre el cátodo y el ánodo.
• Separador: Es una membrana porosa que separa físicamente el cátodo y el ánodo para evitar cortocircuitos, pero permite el paso de los iones de litio.
• Colector de Corriente: Son láminas metálicas (generalmente de aluminio en el cátodo y de cobre en el ánodo) que recolectan la corriente eléctrica generada por la reacción electroquímica.
• Sistema de Gestión de Batería (BMS): Es un sistema electrónico que monitorea y controla el estado de la batería, incluyendo el voltaje, la corriente, la temperatura y el estado de carga. El BMS protege la batería contra sobrecarga, sobredescarga y sobrecalentamiento, prolongando su vida útil y garantizando su seguridad. En las baterías de ion de litio, el BMS es un componente electrónico crucial que monitorea y controla el estado de la batería, incluyendo el voltaje, la corriente, la temperatura y el estado de carga de cada celda. El BMS protege la batería contra sobrecarga, sobredescarga, sobrecalentamiento y cortocircuitos, y optimiza su rendimiento y vida útil.
• Celdas y Módulos: Las celdas individuales se agrupan en módulos, y los módulos se combinan para formar el paquete de baterías completo. Esta estructura modular facilita la gestión térmica y la sustitución de componentes.

Funcionamiento Químico Detallado

El funcionamiento de una batería de iones de litio se basa en la intercalación y desintercalación de iones de litio entre el cátodo y el ánodo. Durante la descarga, los iones de litio se mueven desde el ánodo (grafito) hacia el cátodo (óxido metálico de litio) a través del electrolito. Este movimiento de iones genera un flujo de electrones en el circuito externo, proporcionando la corriente eléctrica.

La reacción de descarga se puede representar de forma simplificada de la siguiente manera (usando LiCoO2 como ejemplo de material del cátodo):

LiC6 ⇌ C6 + Li+ + e- (Ánodo)

Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- ⇌ LiCoO2 (Cátodo)

Durante la carga, el proceso se invierte. Los iones de litio se mueven desde el cátodo hacia el ánodo, regenerando el estado original de los materiales. Este proceso requiere una fuente de energía externa.

Consideraciones sobre el Electrolito y el Separador

El electrolito en las baterías de iones de litio es crucial para permitir el flujo eficiente de iones entre los electrodos. Debe ser químicamente estable, conductor de iones y no inflamable (aunque la inflamabilidad sigue siendo un desafío en algunos tipos de electrolitos). Un voltaje bajo puede indicar un problema.

El Litio: Componente Clave en la Electromovilidad

El desarrollo de este mercado va de la mano con un elemento químico en particular: el litio. ¿La razón? Este es uno de los principales componentes de las baterías que ocupan los automóviles eléctricos. No porque su presencia sea masiva, sino por sus propiedades que lo posicionan en un rol clave.

Álvaro Videla, académico del departamento de Ingeniería de Minería de la UC, explica que, “las baterías están compuestas de un ánodo, desde donde salen los electrones, y un cátodo, que los recibe. Los iones de litio se mueven de un punto a otro a través de un medio que se conoce como electrolito, produciéndose así la diferencia de potencial que produce la corriente. Cuando se carga la batería, los iones de litio se vuelven a mover, pero ahora desde el cátodo al ánodo”.

El litio está presente porque es el ion que facilita esa transferencia electrónica. Uno podría buscar otros materiales, pero la gran ventaja del litio es que tiene una alta densidad energética en poco volumen y poco peso. Eso es vital para la autonomía de un vehículo. Por eso, el gerente de SQM refuerza la idea diciendo que “la gran ventaja del litio es que facilita una mayor densidad energética, lo que es indispensable para el desplazamiento y la autonomía de los vehículos”.

El Desafío de la Sostenibilidad en la Extracción de Litio

Así como la producción nacional tiene una ventaja, también representa un desafío más grande en cuanto a la sustentabilidad del proceso, pues este implica un alto uso de agua durante la cadena. “Hay una restricción, porque afecta al balance hidrogeológico del valle. Si estoy sacando mucha salmuera, estoy secando el valle. El Salar de Atacama -en los alrededores se extrae- está en el desierto más seco del mundo y nadie se asustaría si se hiciera más seco, pero la realidad es que tiene pequeños espacios de vida que aún subsisten, ecosistemas pequeños que se deben cuidar”, detalla el profesor de la UC.

Por lo mismo, aunque se quiera explotar en mayor cantidad, se debe cumplir la normativa medioambiental.

Innovaciones en la Fabricación de Baterías

Un nuevo proceso abarata y reduce la contaminación y energía necesaria en la fabricación de las baterías de iones de litio que alimentan a los vehículos eléctricos. "La fabricación de material de cátodo de iones de litio requiere mucha energía y agua, y produce residuos. Tiene el mayor impacto sobre el medio ambiente, especialmente en la huella de CO2 de la batería", afirma en un comunicado el Dr. Mark Obrovac, profesor de Química y Física y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de Dalhousie, autor del estudio.

Utilizando la Fuente de Luz Canadiense (CLS) de la Universidad de Saskatchewan, Obrovac y su equipo investigaron si podían utilizar un proceso completamente seco para obtener los mismos resultados y, al mismo tiempo, ahorrar energía, agua y dinero. "Queríamos ver si se puede obtener la misma calidad si se toman materiales secos y se combinan utilizando procesos simples que se encontrarían en cualquier fábrica a gran escala y se calientan", dice.

Optimización de la Fabricación de Baterías

Optimice su proceso de fabricación de baterías de coches eléctricos con la combinación correcta de los equipos más sostenibles; combine los compresores de aire y gas con los secadores, los filtros y los generadores de gas adecuados. Otra opción es vender el calor a las industrias o ciudades cercanas. Instale unidades de recuperación de energía que permitan reutilizar el calor de compresión en otros puntos del proceso. Esto disminuirá drásticamente el consumo de energía y reducirá aún más la huella de carbono del proceso de fabricación.

Consideraciones Finales

La elección de la batería adecuada para un automóvil depende de varios factores, incluyendo el tipo de vehículo, el uso que se le da y el presupuesto disponible. Si bien las baterías de plomo-ácido siguen siendo una opción económica para vehículos con motores de combustión interna, las baterías de iones de litio ofrecen un rendimiento superior en términos de densidad energética, peso y vida útil, lo que las convierte en la opción preferida para vehículos eléctricos e híbridos. La investigación actual se centra en mejorar su rendimiento, reducir su costo y aumentar su seguridad.

La electromovilidad está avanzando. La necesidad de encontrar alternativas con bajas o nulas emisiones que ayuden a mejorar el panorama global del cambio climático y así comenzar a dejar atrás los combustibles fósiles ha tomado cada vez más relevancia en el último tiempo. Basta con ver cómo ha aumentado progresivamente la demanda de vehículos eléctricos, que representan la mejor manera de reducir el impacto medioambiental.

Las ventas de autos eléctricos ha crecido a un ritmo acelerado en el mundo y en Chile, donde en los primeros cinco meses de 2022 se han comercializado 2.538 unidades de vehículos eléctricos, híbridos, híbridos enchufables y microhíbridos.

En resumen, la batería automotriz es un componente complejo y crucial que requiere una comprensión básica de sus componentes y funcionamiento para garantizar un rendimiento óptimo del vehículo.

Tabla: Comparación de Baterías de Plomo-Ácido vs. Iones de Litio

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