Especial Baterías Parte I: El ABC de las baterías

Hace poco tiempo alguien comentaba por aquí que no estaría mal un glosario de términos y conceptos sobre baterías y es cierto que a veces editores y comentaristas habituales pecamos de creer que muchos de los términos que manejamos son de uso común.

Y como los fines de semana no son días generalmente de muchas noticias he decidido coger este tema por los cuernos y hacer una serie de artículos aclaratorios al respecto de las baterías y todos los términos que las rodean para quien crea que le pueda interesar. Esta primer parte versa sobre generalidades de las baterías, y ya aviso que muchos de vosotros ya sabéis todo esto y os parecerá un tostón, pero ahí va.

Evidentemente el post está muy relacionado con las baterías más usadas en automoción, las de litio, pero la mayoría es aplicable a casi cualquier tipo de batería. Es muy probable que haya algún fallo así que no dudéis en hacerme sugerencias para corregirlos.

¿Qué es y cómo funciona una batería?

Llanamente una batería es un elemento capaz de generar energía eléctrica a partir de reacciones químicas. Además hay que distinguir dos tipos básicos, las baterías primarias que son de un solo uso, caso de las pilas no recargables de toda la vida, y las baterías secundarias, que son recargables gracias a que sus reacciones electroquímicas son reversibles. Estas son obviamente las que nos interesan a nosotros. Las baterías están compuestas a nivel muy básico de tres elementos que pueden ser de materiales muy diversos, ánodo, cátodo y electrolito.

El electrolito puede ser húmedo, como en las baterías de coche de toda la vida con placas de plomo sumergido en una solución ácida. También puede ser seco, una especie de pasta, como en las baterías de litio, elemento muy reactivo que no puede usarse con electrolitos húmedos. Por otra parte hay también baterías con electrolitos de sales fundidas que deben trabajar a muy altas temperaturas y estar muy bien aisladas, como las ZEBRA basadas en sodio (NaAlCl4) que montaba en tiempos el Think City y funcionaban a 245ºC.

Respecto al funcionamiento detallado de una celda secundaria a nivel electroquímico da para rellenar unos cuantos posts así que nos quedaremos con la información básica, y el que quiera más, wikipedia. Al cerrar el circuito en uno de los electrodos se produce una reacción de oxidación en la que se ceden electrones y en el otro una reacción de reducción, que absorbe electrones. A través del electrolito se produce un intercambio de iones que mantienen el equilibrio interno de la reacción. Esos electrones que viajan de un electrodo a otro son la corriente que activa nuestros aparatos y mueve nuestros queridos coches eléctricos.

Tensión, Capacidad, 1C

A efectos prácticos la tensión a la que puede funcionar una celda depende de la química usada y los diferentes materiales de los que se compone. Cada combinación de materiales diferente nos dará un potencial de celda determinado. Dicha tensión en circuito abierto va variando a medida que la batería se carga o descarga por lo que cuando decimos que una batería tiene una tensión determinada en realidad hablamos de su tensión nominal. Cargada al 100% dará más tensión y descargada menos. En las baterías de litio el estado de carga de la batería es proporcional al voltaje que dan de una forma casi lineal entre su máximo y su mínimo.

Respecto a la capacidad de una batería, o energía que contiene, es una cantidad un poco escurridiza. Recordaréis que se mide en vatios hora, Wh, o sea potencia por tiempo. Si no se nos da la capacidad de una batería en Wh a menudo se da en forma de miliamperios hora, mAh, o en amperios hora, Ah.

Si una batería, por ejemplo como muchas de litio, tiene una tensión nominal de 3,6 V y 2000 mAh la cuenta fácil es decir que como la potencia es tensión por intensidad entonces la capacidad de esa batería es de 3,6 voltios x 2 amperios, 7,2 watios durante una hora, o 7,2 Wh de energía. Fácil, ¿no?

Bueno, en realidad no es tan fácil como eso. La realidad es más complicada, ya que de hecho la capacidad de una batería cambia ligeramente en función de la intensidad a la que se descarga. Si la descargamos lentamente sacaremos algo más de energía de ella que si lo hacemos con rapidez.

1C es también esa cifra que se nos suele dar de una batería en mAh o a veces en Ah. Es la corriente nominal por decirlo así. De hecho 1C se supone que es la corriente que tendría que dar la batería durante una hora para descargarse por completo. Ejemplo, en esa batería de 2000 mAh una corriente de 1C son 2000 mA, y si decimos que trabaja a 0,5C queremos decir que está siendo descargada a la mitad de corriente, a 1000 mA.

Es común que a veces se de la capacidad de una batería a un determinado ritmo de descarga. Un ejemplo perfecto es el Nissan LEAF cuyas celdas (no módulos) de 3,8 V afirman tener 33,1 Ah, lo que haciendo las cuentas (el LEAF lleva 192 celdas repartidas en 48 módulos) nos da los 24 kWh finales, pero esa capacidad es siempre que sean descargadas de forma constante a 0,3C.

Recordaréis también haber leído alguna vez en FCE qué tal o cual cátodo o ánodo tiene una capacidad de, por ejemplo, 1.000 mAh/g. Lo que quiere decir es que ese electrodo con esa composición y estructura es capaz de proporcionar hasta 1.000 mAh, 1 amperio durante una hora, por cada gramo de material. En las baterías comerciales de hoy en día se mueven en cifras de 100 a 200 mAh/g, por eso escuchar que un determinado electrodo da en pruebas 1000 mAh/g nos… ejem, nos excita un poco. Es multiplicar la capacidad varias veces.

Potencia

El tema potencia da para muchas reflexiones. Como ya hemos visto un poco más arriba calcular la potencia entregada por una batería en un momento determinado es tan sencillo como multiplicar tensión por intensidad pero además hay que tener en cuenta las limitaciones impuestas por la química y estructura interna de la batería.

Aquí entramos de lleno en el asunto de la resistencia interna de la batería, y también en aspectos como velocidad de las reacciones químicas y capacidad de movimiento de los iones. Así que a medida que pedimos más y más corriente a la batería acabaremos llegando a un punto en que la reacción química decae o no ocurre a la suficiente rapidez. Además se calentará más y probablemente la celda desfallecerá rápidamente.

Ocurre por ejemplo que hay determinadas baterías que sin tener buena capacidad son muy potentes, como las de plomo, mientras que otras con una capacidad excelente tienen una potencia muy baja, como por ejemplo las Zinc-Aire.

Zinc-Aire de Revolt

Generalmente en las especificaciones de cada batería encontramos datos de la intensidad máxima que puede proporcionar en puntas de corriente en forma de múltiplos de C. Siguiendo con el ejemplo de la batería de 2000 mAh, si ésta pudiera proporcionar picos de potencia de 10C durante unos segundos entonces sería capaz de darnos hasta 20 amperios durante unos pocos segundos, por lo que la potencia nominal de la celda es de 7,2 watios y la potencia pico son 72 watios.

Pongamos un ejemplo que siempre nos gusta, el Tesla Model S. Sabemos que el mejor pack es el de 85 kWh, luego si cada celda trabaja a 1C el pack se supone de unos 85 kW de potencia. Sin embargo la versión de 85 kWh Performance es capaz de entregar hasta 310 kW, por lo que en algunos momentos todas las celdas que componen su pack trabajan con puntas de corriente de 3,65 C.

De hecho la versión más sufrida es realmente la de 40 kWh ya que cuando exprimimos los 175 kW de su motor el pack trabaja con puntas de corriente de 4,37 C. Sin embargo la mayor parte del tiempo en movimiento sin acelerar el coche no necesita más de 20 o 25 kW de potencia por lo que habitualmente la batería trabajará a 0,25C o menos.

DOD y SOC

Seguro que habéis visto estas siglas más de una vez. Corresponden a las expresiones Depth Of Discharge y State Of Charge. Literalmente Profundidad De Descarga (DOD) y Estado De Carga (SOC). No os frustréis, para bien o para mal el mundo de la tecnología se escribe en inglés y no merece la pena luchar contra ello. Se aprende y punto.

El SOC es el porcentaje de lo que hay en la batería respecto a la capacidad nominal. Si cargamos la batería al completo de su capacidad nominal tendremos un SOC del 100%. Si está a la mitad el SOC será del 50%. El DOD es un término en cierto modo complementario al SOC. Hace referencia al porcentaje de descarga realizado respecto a la capacidad nominal. Ejemplo, si de una batería con una capacidad nominal de 50 kWh vamos de un SOC del 90% (45 kWh) a un SOC del 20% (10 kWh) habremos realizado una DOD del 70%.

Llegar al 0% del SOC en una batería de litio es una malísima idea. Un SOC del 100% a menudo tampoco es lo ideal. Por esa razón casi todos los modelos tienen opciones para cargar a diario solo hasta un límite del SOC y generalmente no permiten descargas por debajo de otro límite mínimo del SOC.

El Volt es uno de los casos más extremos. Lleva 16.5 kWh instalados en su última versión pero no deja usar nunca más de 10,8 kWh. Solo permite una DOD máxima del 65%. Eso alarga mucho la vida de las baterías, pero nos obliga a llevar mucho peso extra sin aprovechar.

Capacidad Real y Capacidad Disponible

Cuando hablamos de capacidad real y disponible hablamos en el fondo también de DOD máximo. El Nissan Leaf tiene una capacidad real de 24 kWh instalados pero la electrónica sólo permite al coche hacer uso de 21 kWh, la verdadera capacidad disponible para que la batería nunca se quede a 0. Así que viniendo de un SOC del 100% (24 kWh) su DOD máximo es del 87,5% (21 kWh).

Generalmente para conservar mejor la batería Nissan aconseja cargar habitualmente hasta un SOC del 80%, o 19,2 kWh. Como el Leaf siempre se guarda 3 kWh (SOC del 12,5%) en el caso de cargar al 80% solo tenemos 16,2 kWh útiles, una DOD del 67,5%.

Energía Específica, Densidad de Energía, Potencia Específica y Densidad de Potencia

En primer lugar aclarar conceptos, densidad hace referencia a volumen pero generalmente usamos la palabra erróneamente para hacer referencia a cuánta energía podemos almacenar por kilogramo de batería.

Para hablar de eso estrictamente tendríamos que hablar de energía específica o también llamada a veces Densidad Gravimétrica, y cuando nos referimos a baterías lo hacemos generalmente en forma de vatios hora por kilogramo, Wh/kg.

Si en cambio hablamos de densidad de energía, o también Densidad Volumétrica, entonces hacemos referencia a energía por unidad de volumen, generalmente en vatios hora por litro, Wh/l.

La Potencia Específica hace referencia a la potencia por unidad de peso, en vatios por kilogramo, W/kg. La Densidad de Potencia en cambio se refiere a la potencia en vatios por unidad de volumen, en litros, W/l. De nada nos sirve tener un pack de 50 kWh si a pesar de eso no es capaz de entregar una potencia de 10 kW como algunas Zinc-Aire, o si para que pueda darnos 80 kW de potencia debe ocupar 600 litros de espacio.

Junto con el precio que duda cabe que estas cifras son nuestro mayor enemigo ya que determinan lo que pesará y ocupará el conjunto. Así que cuanto más altas mejor, menos pesará y ocupará.

Ciclos y durabilidad

Este es uno de los parámetros sin duda más importantes en una batería para coches eléctricos ya que nos indican la durabilidad del elemento más caro, por el momento, del vehículo. Se suele definir la durabilidad de una batería en función de los ciclos completos que soporta antes de que su capacidad descienda en un porcentaje significativo, generalmente hasta el 80% o el 70% de la capacidad nominal.

Se entiende generalmente por un ciclo un proceso completo de carga seguido de otro de descarga así que si por ejemplo una batería se descarga cada día a la mitad (DOD del 50%) y se vuelve a cargar eso se consideraría medio ciclo por lo que tendríamos un ciclo cada dos días.

De todas formas la durabilidad en ciclos la da el fabricante en unas condiciones determinadas de carga y descarga que en la práctica no se suelen dar, por lo que la durabilidad de esta depende de muchos factores como la forma en que se ha descargado y hasta donde, la forma en que se ha cargado, temperatura de trabajo y muchos otros factores.

De ahí que cada gran fabricante haya experimentado en profundidad con diferentes soluciones para probar esa durabilidad en las condiciones habituales de uso. De la teoría a la práctica hay un gran trecho. Evidentemente cuantos más ciclos tolere sin perder características, o cuanto menos pierda en cada ciclo, tanto mejor.

BMS

Un pequeño apunte, las baterías de litio en concreto necesitan de una electrónica de control que suele recibir el nombre de BMS, Battery Management System (Sistema de Gestión de Baterías) que puede ser tan sencillo o complicado como se quiera. Los hay de todo tipo.

Pack de celdas A123 con BMS

Lo importante es saber que su función es mantener las celdas a salvo y en buenas condiciones, monitorizar y controlar el proceso de carga y descarga, las tensiones e intensidades, las temperaturas y las sobrecargas.

En la próxima entrega hablaremos un poco más en profundidad acerca de los packs de baterías. Espero que aquellos que no supieran nada del tema tengan algún concepto algo más claro y que no os hayáis aburrido demasiado.