Vida y muerte de una batería de ion-litio (parte III)

En las anteriores entradas de «Vida y muerte de una batería de ion-litio» hicimos una estimación del precio de las baterías, un resumen de las garantías que ofrecen actualmente los fabricante enfrentándolas a la duración estimada y vimos cuáles son los factores que afectan a esta duración (parte I). En la segunda parte se explicó como la formación del óxido es uno de los mayores problemas en está tecnología y por qué, relacionándolo con los factores citados anteriormente.

En esta tercera y última entrega se explican otros problemas que las baterías de ion-litio pueden sufrir, cómo cuidarlas y qué ocurre con ellas una vez que su capacidad deja de ser interesante para su uso en coches eléctricos.

Fallo total de una batería

Hemos vistos varios problemas que puede sufrir una batería de ion-litio y que afectan su rendimiento. Hay uno más que lleva a la muerte de ésta y que no está relacionado con las reacciones químicas si no con la estructura del material que forma el cátodo.

En las baterías de ion-litio, donde el cátodo está formado por un compuesto de litio, en ocasiones un metal y un oxido, los átomos se organizan formando una estructura perfectamente organizada, un cristal. Durante la carga los átomos de litio abandonan esta estructura para alojarse en el ánodo. En un caso ideal, después de la descarga los átomos de litio volverán a disponerse en la misma posición en el cristal del cátodo en la que estaban originalmente.

Cátodo de LiCoO2

Este problema es propio de baterías sometidas a fuertes cargas y descarga, lo que serían cargas rápidas y fuertes acelerones en los que se exprime al máximo la potencia de la batería, por lo que no se espera que ocurra en vehículos híbridos y que en eléctricos dependerá de los ajustes del fabricante.

¿Pueden las baterías de litio incendiarse?

Son muy conocidos los casos de los Boeing 787 y, entre los interesados en coches eléctricos, el de los Mitsubishi Outlander. El suministrador de las baterías para ambos fabricantes era la empresa Yuasa que utiliza baterías de ion-litio con cátodo de LiCoO₂.

Baterías GS-Yuasa usadas en los Mitsubishi y Boeing 787

En la anterior entrada de esta serie vimos como el litio puede depositarse en el grafito del ánodo en forma de óxido de litio. Este depósito, que como hemos visto ocurre más durante las cargas rápidas y a temperaturas altas, forma estructuras cristalinas ramificadas llamadas dendritas.

Las dendritas pueden crecer hasta el punto de atravesar el separador y hacer contacto con el cátodo. Se produce un cortocircuito. Esto acabaría definitivamente con la batería, pero el cortocircuito no es suficiente para generar un incendio.

De hecho uno de las pruebas de seguridad a las que se somete las baterías es el test de penetración, en el que una aguja atraviesa la batería para generar un corto y ver si se forma una llama o no.

Celda tras fallar el test de penetracion (Envia)

El problema es que las dendritas también se calientan al transferir la corriente que se genera en la batería y este calor induce reacciones paralelas acelerando la formación de óxido de litio y por lo tanto de las propias dendritas. Si cuando se produce el corto la batería está sometida a una corriente alta o a un voltaje alto se puede llegar a generar un incendio. En el caso de los Boeing el fallo de unas celdas hizo que otras trabajasen a un voltaje excesivo y se produjese el incendio.

¿Sufren “efecto memoria” las baterías de ion-litio?

Si, lo hemos visto hace unos días. El efecto memoria se produce cuando los tiempos entre la carga y la descarga son muy cortos.

La explicación es un cambio brusco de potencial químico, algo así como las ganas que tiene una partícula de moverse o de reaccionar, de los elementos del cátodo cuando la batería está semi-cargada. El cambio de potencial ocurre de forma abrupta y divide las partículas del material del cátodo en dos grupos, unas que ganan potencial y otras que lo pierden, lo cual hace que no todas “trabajen” al mismo ritmo.

Esto se ve reflejado en un ligero cambio del voltaje de la batería, que supone que parte de la capacidad de la batería se desaproveche. En cualquier caso el efecto es muy bajo, variando el voltaje tan solo unos pocas partes por mil.

El cuidado de las baterías

Considerando lo que hemos venido explicando en estas tres entradas, las baterías de ion-litio puede durar mucho si se tiene pone cierto cuidado en su uso. Siendo el calor su principal enemigo y las cargas rápidas el principal motivo de su calentamiento, hay que tratar de evitarlas al máximo planeando bien el uso del vehículo.

Así mismo, para evitar reacciones secundarias en las celdas cuando están completamente cargadas o descargadas, hay que procurar no circular en reserva o dejar el coche cargando más de lo necesario en días calurosos, aunque no hay por qué volverse paranoico con este punto, ya que los fabricantes protegen las baterías guardando un porcentaje del máximo de carga (SOC) y de descarga (DOD), sí que es conveniente no dejar el coche al sol los días de mucho calor, a fin de cuentas es el mismo cuidado que se recomienda para proteger los plásticos y las tapicerías.

La segunda vida de las baterías

Cuando una batería ha perdido más del 20% de su capacidad puede no ser interesante para un coche eléctrico, pero ese 80% restante es aun bien válido para otros propósitos. El 80% de una batería de un Leaf son casi 20 kWh, que es el consumo diario medio de un apartamento en España.

Así pues, uno de los usos que se han pensado para las baterías usadas es su uso en viviendas como sistema de almacenaje de energía, bien para casos de caídas de tensión como para su integración en redes eléctricas inteligentes. Mitshubishi y GM ya han propuesto su uso para este fin y la filial de Nissan, 4R Energy, también lo considera en su plan de negocio.

El siguiente paso podría ser su reciclaje. A pesar de que las baterías de litio no contienen metales caros como el caso de las de Níquel-Cadmio su reciclaje es 100% posible y ahora además obligatorio por la ley europea 2006/66/EC. De momento son pocas las empresas destinadas a este negocio. En España ya hay una en Madrid, Recupyl, en Alemania también hay una, en Hoppecke, y en Bélgica se encarga Umicore, que ha firmado un acuerdo con Toyota. Pero en unos años, con (esperamos) millones de eléctricos en nuestras ciudades el volumen de trabajo será elevado y se necesitaran de más centros para su procesado.

Baterías recuperadas y no oficiales

Pero tal vez no sea ninguno de estos el final de las baterías. Igual que se venden baterías recuperadas para portátiles e incluso para híbridos, no sería de extrañar que este mercado también aparezca para las ion-litio de los coches eléctricos a precios muy inferiores a los de la casa.

Otro mercado posible es el de las baterías no oficiales. Empresas que fabrican sus propios packs de baterías, como aquellas para convertir el Prius de las primeras generaciones en enchufables y aumentar así la autonomía, y que podrían ofrecer packs de baterías nuevos mucho más económicos, aunque normalmente poniendo en compromiso la fiabilidad.

También sería de esperar que la propia casa ofreciese un dinero por la batería vieja en caso de sustituirla por una nueva, como el «core credit» que da Toyota al reemplazar las baterías de sus híbridos, que en su caso son unos mil euros de reembolso por poner una batería nueva que cuesta 2700 euros.

Conclusiones

A la hora de comprar un coche eléctrico con la batería en propiedad hay que tener en cuenta que en la actualidad se trata de una tecnología relativamente delicada y que sufre cierta fatiga si las condiciones no son apropiadas.

Si se vive en zonas calurosas con largos periodos por encima de los 30º C (como el caso de los Leaf en Arizona, donde la temperatura no baja de 32 grados entre Junio y Septiembre) y el vehículo permanece a menudo aparcado al sol, si no se dispone de tiempo para recargar y se pretende usar a diario la recarga rápida, tal vez sea mejor esperar a futuras baterías más resistentes.

Pero si, como en la mayoría de los casos, solo se sufre de mucho calor a mediodía en verano, y se tiene una plaza donde recargar durante la noche, es posible, con el mínimo cuidado, llegar a mantener la batería en plenas condiciones durante años y miles de kilómetros.

Con estas consideraciones y para los que aún no se fíen de la duración de las baterías de ion-litio en coches eléctricos la opción de alquiler de batería es un concepto muy interesante que permite al usuario despreocuparse de garantías y posibles fallos a largo plazo.

En el futuro estará más en las manos de los fabricantes el asegurar que las baterías sean longevas, seguras y no requieran en absoluto de mantenimiento, mejorando la calidad de los electrodos e instalando sistemas de refrigeración eficientes y autónomos, algo que tendremos que considerar a la hora de elegir un modelo u otro.

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Fuentes | 4R Energy | Gigaom