¿Por qué las baterías de los coches siguen siendo tan pesadas?

Question

Cuando era niño, las baterías de coche solían ser enormes y pesados trozos de plástico llenos de plomo y ácido. Solían pesar casi tanto como un teléfono móvil (una ligera exageración, lo siento).

45 años después, las baterías de los coches siguen teniendo el mismo aspecto y el mismo peso.

Entonces, en esta era moderna y con énfasis en el ahorro de combustible, ¿por qué las baterías todavía pesan 40 libras? ¿Por qué los avances tecnológicos no han podido hacerlas más ligeras y eficientes?

Answer 1

Así que, primero la respuesta obvia:

¿por qué las baterías siguen pesando 20 kg?

Porque siguen siendo las mismas baterías de plomo. Así de simple. Ninguna otra tecnología se acercó al bajo coste por amperio (y amperio-hora) de aquellas, ni a la fiabilidad ni a la facilidad de manejo. 20 kg no son tan pesados, si se tiene en cuenta que el "ahorro de combustible" sigue significando que el coche nuevo medio lleva alrededor de docenas de kilogramos de funcionalidad "de confort", y pesa alrededor de 1 Mg sólo por las partes metálicas.

45 años después, las baterías de los coches siguen teniendo el mismo aspecto y pesan lo mismo.

45? Más bien 120 años... pero sí. Seguimos construyendo puentes de acero, nuestro hormigón ha mejorado, pero sigue siendo esencialmente hormigón, utilizamos asfalto para las carreteras, el cobre sigue siendo nuestro conductor favorito, la tecnología de amplificación más común en todo lo que no es básicamente de baja frecuencia es un amplificador de clase A/B basado en transistores bipolares, y nuestros frigoríficos siguen sin basarse en medios más eficientes de transporte de calor, sino en la compresión de fluidos más o menos peligrosos.

Answer 2

Así que, ahora después de la respuesta a su pregunta literal a su verdadera pregunta que, lamentablemente, no has preguntado

La tecnología de las baterías ha avanzado mucho en los últimos 100 años. La batería de arranque de plomo-ácido se hizo común en los coches en 1920, el plomo es esencialmente veneno, y el ácido sulfúrico/plomo no es menos peligroso. Tienden a fallar en temperaturas frías, especialmente si no se mantienen con regularidad, y aunque obviamente son muy baratas de producir, todo su manejo, incluyendo los requisitos legales para recuperar las baterías viejas, debe ser una pesadilla.

¿Por qué la industria no ha trazado una línea y ha cambiado a cosas como el LiIon o las viejas baterías de NiCd o NiMH, ahora que los coches eléctricos han demostrado que se puede conducir de forma fiable durante años con ellas?

Las baterías de NiCd son sencillamente peores en todos los aspectos, excepto en la densidad de energía, que las de plomo-ácido. Las de NiMH son mejores, pero mucho más caras, y siguen teniendo una tasa de descarga más alta, por lo general (a no ser que sean aún más caras). Y sigue siendo bastante difícil de eliminar correctamente.

Las baterías de litio no son tan fáciles de manejar. Tienes que protegerlas contra todo tipo de fallos, y algunos de ellos son bastante fatales: no sobrecalientes tu batería de litio. Explotará. Y el calor es un problema grave dentro del compartimento del motor (para ser justos, una batería no tienen estar ahí, pero es bastante útil).

La razón principal es el coste. La batería de mi último coche, un Fiat Punto de 1999, suministraba un máximo de 100 A (cuando intenté calcular la corriente de cortocircuito real, alrededor de 43 A, pero sigue siendo mucho. Digamos que P=U-I=12V-40A=480W) de corriente, y tenía una capacidad nominal de alrededor de 30 Ah (eso es una energía de 12V-30Ah = 360Wh). Me costó 25€. Así que, a grandes rasgos, es más barato que 10 € para producir.

Así pues, tomemos un tipo de batería de litio que se produce en masa y, por tanto, es barata. Las celdas redondas que se encuentran comúnmente y que conforman muchos paquetes de baterías para portátiles cuestan alrededor de 3 euros cada una (digamos 1 euro en producción) para unos 3Ah (11,1Wh), suministrando hasta 5A (como máximo, no lo hagas por mucho tiempo) a unos 3,7 V. Eso dice que una sola célula de estas puede suministrar 18,5W. Así que para alcanzar los 480W estimados de la batería de mi coche barato, necesitarías 26 de ellas. Su producción costaría 26 euros, sin contar los euros que se gastarían en los circuitos de control, carga y protección, en el revestimiento de algo rígido y seguro, y en el hecho de que los minerales necesarios para producir algunos de los componentes de metales raros de las baterías de litio no se están abaratando actualmente, y equipar los coches de todo el mundo con ellos acelerará definitivamente ese mecanismo de mercado.

Supongamos que los costes se escalan con la capacidad. Mi batería de litio de 26 celdas tiene 26-11,1Wh=288,6Wh de energía. Así que tenemos que escalar eso en 1,25 para conseguir los mismos 360Wh que la batería de plomo.

Una célula de este tipo pesa unos 90 gramos. Así que el peso de las células es de 26-90 g = 2,34 kg. Vale, no tengo en la cabeza el peso exacto de la batería de mi coche barato, pero digamos que eran 15 kg. Así que ahorramos peso por un factor de aproximadamente 6,3, si nuestra carcasa, y la electrónica son ligeros (no lo son - por lo que puedo decir, necesitarás una fuente de alimentación conmutada fuerte para ser capaz de cargar eficientemente estos usando el generador de tu coche, y esos consisten principalmente en una bobina bastante voluminosa de cobre, y tal vez algún núcleo de ferrita que no es exactamente ligero, tampoco).

Eso lleva a un factor de coste de aproximadamente 3,5 entre el componente A y la alternativa B, con desventajas de manejo, menor fiabilidad y cambios en la cadena de suministro. No es de extrañar que la industria automovilística no presione en esa dirección. (Y, por cierto, tienen un excelente grupo de presión).

Answer 3

Las baterías más recientes son mucho más ligeras y cuestan menos durante la vida útil del vehículo que las de antaño. Pero no utilizan la química LA (plomo-ácido).

Una batería de LiFePO4 (ferrofosfato de litio) hará lo que se necesita con un coste aceptable durante toda su vida útil, PERO con un mayor coste de capital inicial, lo que la hace poco atractiva para los fabricantes de automóviles.

El bajo coste de capital inicial parece ser la principal razón para preferir el plomo-ácido al LiFeO4 y no es obvio que haya ninguna otra razón realmente buena.

La vida útil del ciclo es muy superior a la del plomo-ácido, lo que permite que el coste total de la vida útil sea inferior al del plomo-ácido.

A diferencia del LiIon (Ion de Litio) un "pico en el corazón" no causará los problemas que tiene el LiIon.

El control de la carga es "bastante fácil".

Comparado con el plomo-ácido:

La profundidad de descarga permitida y las tasas de carga máximas aceptables son mayores,

La gama de temperaturas es mejor

La eficiencia de la recarga es mejor.

El rendimiento de autodescarga es mejor.

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Ion de litio / LiIon:

Merece la pena comentar las baterías de iones de litio, ya que a menudo tienen "mala prensa" con respecto a la seguridad.

En comparación con el plomo-ácido, la química de LiIon ofrecen densidades de masa y energía sustancialmente mejores (más ligeros y más pequeños), una vida útil algo más larga, un coste de capital más elevado y probablemente un coste total de la vida útil algo superior. Si se gestiona correctamente, el control de la carga es más fácil. Los rangos de temperatura son mejores, la eficiencia de carga/descarga es algo superior. Las desventajas relacionadas con la seguridad no son en gran medida un problema - véase más abajo.

En muchas aplicaciones las baterías de LiIon son el batería de elección: desde los Dreamliners hasta los teléfonos Samsung, pasando por los "Hoverboards", los Mars Rovers, los ordenadores portátiles, los smartphones, los reproductores de MP3 y mucho más. Las tres primeras aplicaciones mencionadas fueron seleccionadas por sus conocidos y espectaculares fallos. Pero cualquier cosa que se utilice en un Mars Rover se elige por su idoneidad en un entorno hostil de larga duración, no debe fallar la tarea. Y hay cientos de millones de baterías de iones de litio que se utilizan a diario en los bolsillos, los hogares, los coches y otros lugares.

Teniendo en cuenta las formas en que las baterías de LiIon PUEDEN fallar, las cifras que fallan de forma espectacular son muy raras. Los fallos de los que se informa ampliamente suelen deberse a algún fallo sistémico que afecta a un lote o modelo de batería que se ha producido y distribuido en grandes cantidades O a aplicaciones de menor volumen pero de alto perfil. En estos casos, un defecto de diseño o de fabricación provoca o permite fallos cuyas consecuencias se ven agravadas por el comportamiento implacable de la química del LiIon.

Ejemplos de ello son los publicitados sucesos de "ventilación con llama" en algunos portátiles de Apple, teléfonos de Samsung, "hoverboards" de autoequilibrio y similares. En los dos primeros ejemplos, los fabricantes competentes suelen permitir que exista un fallo de diseño sin corregir y/o sin que se note, o bien recortan las esquinas en la fabricación hasta el punto de que los márgenes de seguridad les alcanzan. En el caso de los "hoverboards" la causa es desconocida para mí, pero es tan probable que sea una fabricación de baja calidad y bajo coste y un mal control de la carga como cualquier otra cosa. En los equipos de consumo, los fallos de las baterías de iones de litio suelen deberse a un cortocircuito que se produce en una célula debido a la existencia de espacios libres inadecuados y a la consiguiente sensibilidad al impacto o al hecho de haber alcanzado el extremo de las variaciones estadísticas de tolerancia de fabricación. Se trata de errores de diseño y fabricación que pueden evitarse a costa de un coste adicional, algo que a los fabricantes de grandes volúmenes les encantaría evitar.

En el caso de los fallos de las baterías del Boeing Dreamliner no he visto un informe final sobre la causa raíz, PERO aunque se produjeron una serie de fallos bien publicitados (y tal vez algunos no publicitados) en un volumen de producto muy pequeño, las consecuencias fueron asombrosamente bien contenidas.

Un examen detallado de los fallos del LiIon y sus modos y consecuencias muestra que casi siempre no son tan violentos como sugiere el "mito" popular y que, aunque la liberación de energía es sustancial, la contención es relativamente fácil en términos de ingeniería. La contención añade peso, volumen y coste y es poco probable que se encuentre en los ordenadores portátiles o en los dispositivos de bolsillo. Sí se encuentra en los Dreamliners y podría utilizarse fácilmente en aplicaciones de automoción con una sola batería (es decir, que no son vehículos eléctricos), manteniendo el peso y el volumen muy por debajo de los niveles de plomo-ácido y con un coste adicional modesto. En las aplicaciones de vehículos eléctricos los problemas parecen haberse resuelto o acomodado "suficientemente bien". No tengo ninguna experiencia en las áreas de regulación de la seguridad de los vehículos, pero confío en que las regulaciones que nos traen espectaculares imágenes de maniquíes de choque y permiten el uso de combustibles de petróleo de alta volatilidad en los vehículos de pasajeros también abordan los problemas de seguridad en torno a las fuentes de energía de LiIon. No he oído hablar de ningún coche de Tesla que se haya inmolado por un fallo de la batería -aunque puede haber ocurrido- y me imagino que Musk y compañía creen que tienen esta área de riesgo "adecuadamente controlada".

Para mi decepción, nunca he visto un evento de ventilación de LiIon con llamas y no conozco personalmente a nadie que lo haya hecho. Los sucesos son lo suficientemente comunes como para aparecer de vez en cuando en las noticias de Nueva Zelanda (la población de Nueva Zelanda es inferior a 5 millones).

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LiIon frente a LiFePO4:

En comparación con el LiFePO4, el LiIon La química ofrece densidades de masa y energía algo mejores (algo más ligeras y pequeñas), sustancialmente BAJO La vida útil de las baterías de litio es más larga, el coste de capital es ligeramente inferior (por capacidad energética) y el coste total de la vida útil es sustancialmente inferior. El control de la carga es prácticamente el mismo, pero las LiFePO4 son mucho más difíciles de dañar en casos marginales. Los rangos de temperatura no son tan buenos, la eficiencia de carga/descarga es más o menos la misma. Las LiFePO4 están mucho menos sujetas a problemas de seguridad.

En las áreas en las que el menor tamaño y peso y el menor coste de capital son importantes (siendo el uso en vehículos eléctricos un buen ejemplo), el LiIon es superior al LiFePO4.

En casi todas las demás áreas y aplicaciones, las LiFePO4 son mejores o mucho mejores que las LiIon y yo las consideraría la tecnología actual de baterías de elección para el almacenamiento de energía de alta energía de larga duración y alto número de ciclos.

Answer 4

Existen baterías de arranque de litio principalmente para carreras u otro tipo de rendimiento o aplicaciones de lujo en las que el ahorro de peso o el derecho a presumir merecen la pena.

Sin embargo, como otros han señalado, las exigencias de la aplicación son bastante extremas y la tecnología del litio necesita mucho desarrollo y cuidado especial para poder cumplir de forma fiable y segura la función de una batería de arranque/accesorios en un vehículo de motor. Los precios son muy elevados: fácilmente entre diez y veinte veces el coste de una batería de plomo normal. La mayoría de la gente no quiere pagar 1.000 dólares por la batería de su coche, así que no lo hace.

Answer 5

La respuesta es muy sencilla: Porque no hemos encontrado nada mejor.

Una batería de coche tiene que mantener la carga durante mucho tiempo, ser capaz de suministrar una gran corriente y caber en un espacio reducido. Y ayudaría que no fuera demasiado cara.

El plomo-ácido sigue siendo la mejor solución para esos requisitos.

Podrías utilizar un producto químico basado en el litio, que puede mantener la carga y suministrar grandes corrientes. También son mucho más caros, sensibles a la temperatura, requieren más cuidado eléctrico y son más espectaculares si se manipulan mal eléctrica o mecánicamente.
Los costes adicionales y la complejidad simplemente no merecen los beneficios de una reducción de <1% en la masa final de los coches.