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"El desarrollo de baterías es ahora mismo una tarea increíblemente emocionante".

El químico alemán Maximilian Fichtner investiga la tecnología de baterías del futuro. Y afirma que las baterías eficientes son la clave más importante para el éxito de la elec-tromovilidad.

Texto: Patrick Morda und Bernd Zerelles - gif: Vladislav Solovjov - Fotografía: Volkswagen AG Tiempo de lectura: 4 min

GIF abstracto de ondas en movimiento.

Profesor Fichtner, no hay un componente más importante para un vehículo eléctrico que la batería de almacenamiento. ¿Cuál es la mejor batería para este tipo de aplicación?

Una batería que ofrezca la mejor combinación en lo que respecta a capacidad de almacenamiento, carga rápida, bajo coste, seguridad y sostenibilidad. La mejor opción para cada caso depende del vehículo y de su ámbito de aplicación. En los vehículos de gama alta, es importante contar con una gran autonomía. En el segmento compacto, se buscan baterías con un coste considerablemente menor, pero no se exige una capacidad de almacenamiento tan alta.

 

En un vehículo eléctrico, el espacio para la batería es limitado. ¿Qué estructura debe tener un sistema de batería para que pueda almacenar más material con el mismo tamaño?

Algunos fabricantes trabajan con un diseño denominado "cell to pack" o "cell to body", en el que las celdas se integran en el paquete de baterías. En pocas palabras, los paquetes de baterías ya no están formados por celdas del tamaño de una tableta de chocolate, sino por celdas en forma de tablero de madera. Estas unidades más grandes tienen menos material de embalaje no reutilizable y ofrecen más espacio para el material de almacenamiento propiamente dicho. Alcanzan una densidad de integración superior al 70 %, mientras que la de las baterías convencionales es de poco más del 50 %. Los fabricantes de vehículos eléctricos que quieran desarrollar sus propias baterías pueden tener en cuenta estos avances tecnológicos en el diseño desde el principio. Y es que no se trata de centrarse solo en cada una de las celdas de la batería, sino más bien en dar con la mejor manera de construir celdas del mayor tamaño posible en un espacio reducido.

 

¿Qué avances se verán en las baterías en los próximos años?

Esperamos avanzar a pasos agigantados. Para 2023 se han anunciado los primeros paquetes de baterías de dos fabricantes chinos que prometen ofrecer una autonomía de más de 1000 kilómetros. Además, se afirma que con ellos se podrá cargar en menos de diez minutos la energía necesaria para disfrutar de una autonomía de 700 kilómetros. Incluso a mí, como investigador, me sorprende esta evolución tan rápida, que supondría un gran paso en la tecnología de baterías. Y son avances que no se basan siquiera en una nueva composición química de la batería, sino en la adopción de medidas tecnológicas.

"Los fabricantes de vehículos eléctricos que quieran desarrollar sus propias baterías pueden tener en cuenta estos avances tecnológicos desde el principio".

Retrato de Maximilian Fichtner.

"Los fabricantes de vehículos eléctricos que quieran desarrollar sus propias baterías pueden tener en cuenta estos avances tecnológicos desde el principio".

 

Retrato de Maximilian Fichtner.
El profesor y doctor Maximilian Fichtner investiga en Alemania la tecnología de baterías del futuro.

Más detalles

Más información sobre el profesor y doctor Maximilian Fichtner

Maximilian Fichtner es el director del departamento de almacenamiento de energía electroquímica del Instituto Helmholtz de Ulm (HIU), en el que se investigan y desarrollan los conceptos de baterías electroquímicas de la próxima generación y de las futuras. En el HIU, fundado en 2011 por el Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), unos 150 científicos investigan y trabajan en el desarrollo de los principios básicos de los dispositivos de almacenamiento de energía del futuro para el uso estático y móvil. Fichtner no solo dirige el HIU, sino también el grupo de investigación dedicado a la química del estado sólido. Además, el químico es director del Centro de Almacenamiento de Energía Electroquímica de Ulm y Karlsruhe (CELEST), una plataforma de investigación que combina la investigación de los principios básicos orientados a la aplicación con un desarrollo práctico y unas tecnologías de producción innovadoras. Y es también el portavoz del clúster de excelencia POLiS, que trabaja en el desarrollo de baterías futuras más potentes, fiables, sostenibles y respetuosas con el medioambiente que las actuales baterías de iones de litio.

La toma de energía suele ser un aspecto que se descuida. ¿Qué relación existe entre la carga y la tecnología de la batería?

Sí, es cierto, ya que. ¿con qué frecuencia se conducen 600 kilómetros sin parar? Por eso es importante que las baterías de gran tamaño ofrezcan la posibilidad de una carga rápida; aquí reside el verdadero argumento. Si conseguimos que la carga de la batería de un vehículo eléctrico pueda pasar del 10 al 80 % en diez minutos, cualquier argumento a favor del uso de un motor de combustión pierde su peso. Unos materiales se cargan más rápidamente que otros. Desde un punto de vista técnico, los iones de litio de la batería se desplazan del polo positivo al polo negativo durante la carga, y una vez ahí deben colarse, por decirlo de alguna manera, almacenarse.

En la actualidad, se utiliza una estructura de capas de grafito en el polo negativo. Ya hay fabricantes de baterías que quieren utilizar aquí compuestos de carbono y silicio. Estos materiales pueden cargarse mucho más rápidamente, incluso a temperaturas bajas, y ofrecen un gran potencial de desarrollo. Ya solo con este cambio de material en el polo negativo se consigue un 30 % más de capacidad de almacenamiento en la celda completa. El potencial de lograr nuevos avances en el desarrollo es increíble. Además, si se desea cargar una batería de 60 kWh en diez minutos, se necesitará una conexión de carga con una potencia de 360 kW, lo que demuestra que las limitaciones actuales hay que buscarlas cada vez menos en la batería y cada vez más en la infraestructura de carga.

 

En el caso de un smartphone que se usa con frecuencia, el rendimiento de la batería disminuye considerablemente al cabo de dos o tres años. ¿Cuál es la vida útil de la batería de un vehículo eléctrico?

La estructura de la batería de un smartphone es muy diferente, y está diseñada para que tengamos que cambiar de dispositivo pasados tres años. En el vehículo, el control de la batería es mucho más inteligente, y la batería está protegida del sobrecalentamiento y de otros factores perjudiciales de diversas formas; por ejemplo, mediante la gestión inteligente de la carga. Los resultados de diversos estudios realizados en vehículos nuevos muestran que, por norma general, pasados cinco años sigue estando disponible un 95 % de la capacidad residual de la batería. La batería de tracción de un vehículo eléctrico está diseñada para completar 2000 ciclos. A modo de ejemplo: 2000 ciclos de 500 kilómetros de autonomía equivalen a un millón de kilómetros. Tras estos 2000 ciclos completos, la batería alcanza el umbral del 80 % de capacidad residual, lo que se considera un indicador del fin de la vida útil de la batería. Sin embargo, esto no significa que la batería esté rota. De hecho, se podrá seguir utilizando sin problemas durante otros diez años, por ejemplo, en dispositivos de almacenamiento estáticos de instalaciones fotovoltaicas o eólicas.

"La batería de tracción de un vehículo eléctrico está diseñada para completar 2000 ciclos."

Maximilian Fichtner

GIF abstracto de cristales en movimiento.

 

Se están construyendo "gigafábricas" de baterías en todo el mundo. ¿Son suficientes las materias primas de las que disponemos en todo el planeta para la producción de celdas para baterías en los próximos años o décadas?

En lo que respecta a la cantidad disponible, sí. Sin embargo, la capacidad de producción no se ha adaptado aún al fuerte aumento de la demanda, por lo que es posible que se den problemas de suministro en algunos sectores. Nuestro papel como investigadores en este aspecto es intentar remediar esta situación, por ejemplo, prescindiendo por completo del uso de cobalto en las baterías nuevas y sustituyendo el litio parcialmente por sodio en el futuro. Con ello aliviaríamos considerablemente una posible falta de disponibilidad de materias primas. En la actualidad, se está planificando la construcción de once gigafábricas de baterías en toda Alemania, algo que no ocurre en ningún otro país. Aquí se nos presenta una gran oportunidad de hacer las cosas bien. La pregunta más importante que debemos hacernos es: ¿se limitarán estas gigafábricas a producir celdas o se encargarán también de sistemas completos?

 

¿Qué importancia tienen los procesos de reciclaje de baterías usadas en este ámbito?

Son muy importantes. Se calcula que aproximadamente a partir de 2034 la mitad de las materias primas necesarias se obtendrán ya de materiales reciclados. Actualmente hay 38 plantas de reciclaje de baterías en Europa que están desarrollando nuevos procedimientos y ampliando su capacidad de trabajo. Cuando grandes cantidades de vehículos eléctricos se incorporen al proceso de reciclaje a mediados de la década de 2030, deben estar preparadas.

 

La batería representa una gran parte del coste de un vehículo eléctrico. ¿Qué medidas deben tomarse para reducir este coste?

Se deben utilizar materias primas más baratas, es decir, materias primas disponibles en abundancia y en todo el mundo que puedan extraerse sin problemas. También se deben desarrollar nuevos procesos de fabricación que permitan ahorrar energía y tiempo. Junto al uso de materiales más sostenibles, la reducción de los costes es la gran tendencia que se aprecia a gran escala en la producción de baterías. Y se aplica en todos los ámbitos: se trata de reducir el tamaño, el consumo de energía y el tiempo necesario. Actualmente hay muchos avances en este sentido, y se suceden más rápido de lo que se podría pensar. El desarrollo de baterías es ahora mismo una tarea increíblemente emocionante.

 

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