¿Quiere conocer el futuro de los coches eléctricos? Primero tienes que entender hacia dónde va la tecnología de las baterías y, lo que es más importante, cuándo. Si Tesla vende hoy vehículos eléctricos rápidos y de largo alcance, y Chevy ha anunciado su Bolt de «200 millas», ¿por qué no puede BMW fabricar su propio modelo i de 200 millas antes de 2020?
Pues porque sí.
Envia
Es posible que hayas oído hablar de la notable batería de iones de litio Envia, o debería decir el ascenso y la caída de dicha batería infame. La historia merece repetirse, porque explica muchas cosas sobre los escollos del desarrollo (y el marketing) de los vehículos eléctricos: por qué algunos fabricantes de coches eléctricos hacen afirmaciones agresivamente optimistas, mientras que otros han optado de forma más conservadora por la batería que tienen entre manos, por encima de las dos más bonitas que hay en el monte.
Un ion de litio es una partícula cargada, unos átomos en los que los electrones con carga negativa y los protones con carga positiva no se equilibran. Una batería de iones de litio es un dispositivo bastante sencillo, siempre que se ignoren los detalles y las permutaciones. Las baterías de iones de litio tienen dos electrodos (uno con carga positiva y el otro negativa) separados por un electrolito típicamente líquido que permite el flujo de iones de litio cargados de un electrodo al otro. Los electrodos se denominan cátodo o ánodo, dependiendo de la dirección en que fluya la corriente: carga o descarga.
El litio, en su estado elemental, es un metal muy combustible. Por ello, las baterías de iones de litio suelen utilizar un compuesto de litio más seguro (por ejemplo, óxido de cobalto y litio (LiCoO2)). El compuesto de litio está en el cátodo; el ánodo ha sido tradicionalmente grafito. Es una buena batería, pero con una densidad energética bastante baja, sobre todo para los coches eléctricos. Si se quiere una gran autonomía, esa batería básica tendría que ser realmente pesada.
Volvamos a la historia de Envia. Dos ingenieros fundaron la empresa en 2007, gracias a una patente de cátodos concedida por el Laboratorio Nacional de Argonne (una instalación gubernamental estadounidense a las afueras de Chicago). Ese cátodo basado en níquel, manganeso y cobalto (NMC) permitía obtener una batería con un rendimiento un 66% superior al de las baterías de iones de litio estándar.
Con ello obtuvieron una financiación inicial y empezaron a trabajar para convertir el descubrimiento de Argonne en algo comercial. Sin embargo, en 2009, sus esfuerzos de comercialización no habían dado frutos y estaban a punto de quebrar. Pidieron ayuda a su inversor de capital riesgo, que se incorporó como director general de la empresa, junto con otra cantidad de dinero.
Si conseguían ganar un concurso gubernamental con su tecnología de baterías, pensaban que la subvención resultante resolvería sus problemas de dinero. El nuevo cátodo que desarrollaron dio lugar a una batería de 280 vatios-hora por kilo (Wh/kg). (El vatio-hora es una medida de la energía). Ese rendimiento en laboratorio era muy bueno, pero ciertamente no era asombroso.
Pero para la competición, añadieron un ánodo de silicio-carbono, que podría cambiar las reglas del juego. Un ánodo de grafito estándar sólo puede absorber un número determinado de iones de litio. El silicio, sin embargo, puede absorber MUCHO más: diez veces más que el grafito. Cada ión de litio representa mucha energía. Cuantos más iones de litio se puedan mover de un electrodo a otro, más energía se podrá almacenar. Así que el silicio es grande.
Ese es el problema, en realidad. Durante el ciclo de carga/descarga, la inserción del ion de litio en el silicio hace que se expanda un 400%. A menos que pueda acomodar esa expansión, el electrodo se autodestruye, se pulveriza (como el agua que se congela en una tubería, sólo que mucho peor). La batería daría una gran autonomía, pero sólo durante un par de ciclos de carga.
Los ingenieros de Envia pensaron que podían resolver el problema. Construyeron su batería y la sometieron a pruebas en un laboratorio independiente. El resultado fue de 400 Wh/kg. Y no sólo eso, sino que Envia afirmó que podría construirla por la mitad del coste. Consiguieron una subvención de 4 millones de dólares.
Los grandes tomaron nota, a saber, General Motors. A pesar de la oposición de sus ingenieros (que desconfiaban de la pequeña empresa sin historial), los directivos de GM querían la batería de Envia para su modelo Volt de 2015 y para un BEV previsto para 2016 con una autonomía de 320 kilómetros. Sería un cambio de juego. Empezaron a pagar a Envia 2 millones de dólares por trimestre para comercializar la batería. Para el vehículo eléctrico de 200 millas, GM necesitaba una batería de 350 Wh/kg que pudiera durar 1.000 ciclos con poca degradación.
Eso figuraba en el contrato; la batería también tenía que estar lista para octubre de 2013, con otros 10 meses para la optimización final. Después de eso, nada de cambios.
Cuando llegó el momento y se probó la batería de Envia, fracasó estrepitosamente, sin acercarse a los resultados de las pruebas anteriores. Eso sí, a primera vista. Para el concurso gubernamental, Envia había afirmado que su batería rendía 400 Wh/kg, y que había sido probada hasta 300 ciclos de carga/descarga. Es cierto. Lo que no habían revelado era que la cifra de 400 Wh/kg sólo se producía durante los tres primeros ciclos de carga. La energía almacenada cayó precipitadamente después de eso. Para el ciclo 300, la batería sólo servía para 237 Wh/kg. El culpable, por supuesto, fue la extrema expansión volumétrica. Envia no había sido capaz de idear una solución.
También resultó que el material del ánodo no era propiedad de Envia, como se había dicho, sino que se había obtenido secretamente de un proveedor japonés. Los fundadores de Envia esperaban poder resolver los problemas a tiempo, esperaban hacerse enormemente ricos, pero su milagro no había llegado. Incluso habían mantenido al director general de Envia en la oscuridad.
Al parecer, los planes de GM para que la batería de Envia alimentara su coche de 200 millas en 2016 se habían hecho añicos, pero GM afirmó que tenía una batería alternativa entre manos. Un informe, sin embargo, sugería que era demasiado cara. Otro especulaba que el coche podría aparecer ya en 2018. GM no ha arrojado ninguna luz.
Hay otras posibilidades, por supuesto (pero no para 2016, quizá unos años más tarde).
California Lithium Battery (CalBattery)
En 2009, otra pequeña empresa, California Lithium Battery (CalBattery), comenzó a mantener conversaciones con un científico de los Laboratorios Nacionales Argonne (otra vez ellos). Esas conversaciones llevaron finalmente a que el científico de Argonne se convirtiera en el Director Técnico de CalBattery, para dirigir el desarrollo de su ánodo de iones de litio patentado en un producto comercial.
Ese ánodo también utilizaba silicio para aumentar enormemente la densidad energética de la batería, pero adoptaba un enfoque novedoso para acomodar el cambio de volumen del 400% durante el ciclo de carga/descarga. El científico de Argonne había descubierto que un proceso de deposición de gas para incrustar el silicio en una matriz de grafeno podía proporcionar suficiente amortiguación para evitar la pulverización del electrodo. (El grafeno es una red hexagonal bidimensional con un átomo de carbono en cada vértice, básicamente una forma de carbono de un átomo de grosor, con propiedades notables).
En otoño de 2012, CalBattery había producido una batería de muestra y anunció que había sido probada de forma independiente para almacenar 525 Wh/kg de energía. En comparación, las baterías de litio comerciales tenían en ese momento densidades de energía de entre 100 y 180 Wh/kg. Fue una gran noticia! En febrero de 2013, CalBattery dijo que podría hacer que el material del ánodo estuviera disponible comercialmente en 2014.
En diciembre de 2013, sin embargo, CalBattery dijo que estaba trabajando para aumentar la producción, y esperaba producir material de ánodo en cantidades comerciales «en unos pocos años.» Aunque en un principio su objetivo era suministrar su tecnología de baterías para su uso en vehículos eléctricos, CalBattery cambió posteriormente su enfoque hacia la electrónica de consumo, que le reportaría ingresos más rápidamente. Descubrieron que introducir sus baterías en los vehículos eléctricos podía llevar hasta siete años. Las baterías de los vehículos eléctricos se componen de muchas celdas. Hay que probar la célula, desarrollar y probar el paquete de baterías y, por último, probar el coche de forma exhaustiva. Los fabricantes de coches están muy centrados en cuestiones de responsabilidad del producto.
A mediados de 2014, CalBattery se asoció con otra pequeña empresa llamada CALEB, poniendo en común sus respectivas químicas de baterías de vanguardia. Han ido ampliando sus métodos de producción, con el objetivo de mantener los costes bajos. Ahora están optimizando su reactor de flujo continuo de tercera generación (un diseño probado adoptado de otra industria). Esperan producir miles de toneladas en torno a 2018. Algunos fabricantes de equipos originales ya han recibido muestras para probarlas, y una gran empresa les ha encargado la construcción de una batería para teléfonos móviles.
Este esfuerzo parece uno de los más prometedores de los próximos cinco años, pero es sólo uno de los muchos programas de investigación, principalmente gubernamentales y académicos, que se están llevando a cabo en todo el mundo, todos ellos trabajando para resolver una pieza del rompecabezas. Los académicos están publicando sus resultados, quizás buscando financiación. Los científicos gubernamentales quieren que su trabajo acabe en un producto. Las grandes empresas, en cambio, se mantienen bastante calladas sobre sus avances.
QuantumScape
Secreto puede ser una descripción más adecuada. VW acaba de adquirir una participación del 5% en una empresa emergente de Silicon Valley llamada QuantumScape, que es pionera en la creación de una batería de litio de estado sólido basada en la investigación de la Universidad de Stanford. Ni la empresa ni VW ofrecen una descripción de la batería, pero varias personas han investigado las patentes y algunas de las investigaciones de Stanford realizadas por los fundadores de QuantumScape; las pistas son convincentes.
La nueva batería podría utilizar algo llamado efecto de batería de todos los electrones (AEB): no hay iones que vayan de un lado a otro, sólo electrones veloces. Podría tratarse de una fina película de un material sintético llamado antiperovskita, dopada con material de aluminio, que podría permitir el uso de litio metálico (en lugar de un compuesto de litio). Todo ello permitiría obtener una densidad energética muy alta, y muy poca degradación con los repetidos ciclos de carga/descarga -miles de ellos-.
VW ha sugerido que esta nueva tecnología podría dar a su e-Golf una autonomía de 700 kilómetros, más del triple de la actual. VW afirma que el desarrollo y las pruebas están progresando lo suficiente como para permitir una decisión sobre su futuro uso para este mes de julio. Otro avance intrigante.
En los próximos cinco años podrían llegar baterías con densidades energéticas de hasta 500 Wh/kg, ¿qué tipo de densidades energéticas tenemos ahora?
Panasonic
Tesla lleva la delantera con sus pequeñas células cilíndricas de Panasonic (miles de ellas en un paquete). 233 Wh/kg. Se trata del mismo tipo de pilas que se utilizan en la electrónica de consumo, que suelen tener mayores densidades de energía, pero a costa de la longevidad y la seguridad. Cuando la batería de tu móvil se agote, sólo tienes que comprar una nueva o cambiar de teléfono. No es gran cosa, y la vida útil de la electrónica de consumo suele ser de un par de años. No es el caso de los coches, pero Tesla ha hecho un buen trabajo de gestión de los inconvenientes a través de la monitorización activa de las celdas y un diseño cuidadoso para limitar la acumulación de calor y proteger las celdas de los pinchazos. Como las celdas son tan pequeñas, cada una de ellas produce una cantidad muy pequeña de energía, por lo que, si se refrigeran eficazmente, hay menos posibilidades de que se produzca un incendio.
Otros fabricantes utilizan celdas de gran formato para los vehículos eléctricos (más sencillas de empaquetar) y, por tanto, necesitan utilizar productos químicos de baterías que son intrínsecamente más seguros. La contrapartida es una menor densidad energética.
Panasonic también suministra células de batería para el VW e-Golf, aunque se trata de células prismáticas más grandes con una densidad energética de 170 Wh/kg. VW dice que su hoja de ruta a corto plazo prevé un aumento a 220 Wh/kg.
Nissan-Renault ha estado utilizando baterías fabricadas por NEC (pero parece que están cambiando a LG Chem). Las baterías actuales del LEAF tienen una densidad energética de 155 Wh/kg; el Renault Zoe tiene una batería de 157 Wh/kg.
El Smart EV utiliza una batería de 152 Wh/kg de Deutsche/ACCUmotive.
El Mitsubishi i-Miev utiliza una batería de Lithium Energy Japan (GS Yuasa/Mitsubishi): 109 Wh/kg.
La batería de Bosch/Samsung utilizada en el Fiat 500e tiene una capacidad de 132 Wh/kg.
La batería de iones de litio de Toshiba utilizada en el Honda Fit EV ocupa el último lugar con una densidad energética de sólo 89 Wh/kg.
La fuente de la mayoría de estos valores no tenía una clasificación para la batería del BMW i3. He encontrado otra referencia que indica que la densidad energética del i3 es de 95 Wh/kg. Samsung dice que las células de níquel-cobalto-manganeso utilizadas en el i3 tienen la mayor densidad de energía volumétrica de la industria (Wh/por litro). En otras palabras, son pesadas, pero no ocupan mucho espacio.
La elección de cualquier tipo de batería es un compromiso. Los fabricantes de coches no sólo se fijan en la densidad de energía, sino también en la seguridad, la longevidad, la densidad de potencia (tasa de liberación de energía), la velocidad de carga, la fiabilidad y el coste.
Quieren un proveedor de baterías en el que confíen, con una reputación que mantener y que tenga los recursos necesarios para cumplir un contrato. Estas cualidades hacen que sea poco probable que una persona pueda hacer afirmaciones demasiado optimistas (y salirse con la suya). Sin embargo, estas cualidades también tienden a favorecer una vía de desarrollo incremental de la nueva tecnología, en lugar de confiar en el proverbial gran avance científico. Es posible que la pequeña empresa de nueva creación logre realmente el avance, pero ¿apostaría un BMW por ello antes de que se haya demostrado?
Samsung SDI
El socio de BMW para las baterías de iones de litio es Samsung SDI, que colabora con el Consorcio de Baterías Avanzadas de Estados Unidos (encabezado por General Motors, Ford y Chrysler) para desarrollar una nueva batería de iones de litio. Según la hoja de ruta tecnológica de Samsung SDI, esperan producir una célula avanzada con una densidad energética de unos 250 Wh/kg, en algún momento de 2019. Hasta entonces, su hoja de ruta muestra una batería con una densidad de energía de sólo 130 Wh/kg. (!)
Samsung Investment Ventures Corp. también ha proporcionado financiación a Seeo, una empresa que está desarrollando baterías avanzadas de polímero de litio. Sus celdas, que utilizan un electrolito de polímero sólido no inflamable, están probando ahora unos respetables 350 Wh/kg, y aspiran a alcanzar los 400 Wh/kg.
Suponiendo que BMW siga con Samsung como proveedor de células de iones de litio, sería una locura que planeara el lanzamiento de un nuevo modelo antes de que la batería de 250 Wh/kg de Samsung esté disponible en cantidades comerciales (alrededor de 2019-2020).
¿Habrá baterías de 400 Wh/kg disponibles antes de eso, o en el mismo plazo? Esperemos que sí. ¿Debería BMW planear el diseño de un nuevo modelo i basándose en las predicciones de una pequeña empresa? Probablemente no. ¿Deberían seguir esos desarrollos y probar las muestras disponibles? Por supuesto. Sin duda, Samsung está haciendo lo mismo, y estaría dispuesta a licenciar la mejor tecnología probada, si está disponible a un precio comercialmente atractivo. Pero cambiar las baterías en una fase tardía del proceso de planificación, diseño y desarrollo de ingeniería de un nuevo modelo de coche sería, como mínimo, caótico.
El progreso de las baterías impulsa el lanzamiento de nuevos modelos de BEV. Ya sea para cumplir los objetivos de coste, de autonomía o de rendimiento, el desarrollo de nuevos modelos de VE de éxito se verá impulsado por el rendimiento de las baterías disponibles en el mercado. Esto es válido para el Tesla Model 3, el Bolt y el próximo modelo i de BMW.
Los coches eléctricos modernos se encuentran en una fase muy temprana de su desarrollo y, sin embargo, ya son tan buenos que queremos mucho más, y lo queremos ya. Más modelos, más prestaciones, más autonomía, menos peso y, por supuesto, mucho más baratos. Pero entendemos que todo esto es nuevo, así que estamos dispuestos a esperar un año o dos para conseguir todo eso. ¡Ja!
Todavía no has visto nada. Esperen cinco años, o diez: las baterías de litio-azufre están en camino, y después de eso, ¡el litio-aire! O tal vez todo esto se acabe con otra cosa. Paciencia.
