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Parada contenido de energía, suspensión rendimiento, larga vida útil, máxima seguridad, todo al último costo posible: las baterías de los vehículos eléctricos deben cumplir muchos requisitos, que la tecnología dominante de iones de litio ya está logrando sobrado acertadamente. Sin requisa, se pueden realizar mejoras adicionales en casi todos sus parámetros, y los investigadores y la industria actualmente están trabajando intensamente para lograrlo. Al mismo tiempo, los posibles sucesores ya se están alineando. No es casualidad que las baterías de iones de litio dominen el mercado contemporáneo: los átomos de litio están especialmente interesados en emitir uno de sus tres electrones, y el litio es incluso el metal más veloz. Esto hace que el factor sea una materia prima popular para las baterías.
“El litio puro es el material de ánodo activo ideal en términos de densidad de energía”, dice la Dra. Stefanie Edelberg, ingeniera diestro en celdas de depósito de Porsche Engineering. “Sin requisa, por razones de seguridad, los grafitos se utilizan actualmente principalmente como materiales de ánodo activo que pueden absorber iones de litio”. Encima, la capacidad de carga de las baterías es muy incorporación y su precio es relativamente bajo. A esto se suma su larga vida útil: “1500 a 3000 ciclos de carga completa hasta que se alcanza una capacidad residual del 80 por ciento no representa un problema”, dice el Dr. Falko Schappacher, Director Comercial y Técnico del Centro de Investigación de Baterías MEET de la Universidad. de Munster (WWU). Ahora se pronostica una vida útil de la depósito del automóvil de hasta un millón de kilómetros.
optimización del ánodo
Adecuado a que la tecnología de iones de litio es un sistema de múltiples componentes, hay muchas formas de optimizarlo aún más. Tomemos, por ejemplo, el ánodo: el carboncillo se usa actualmente como material de ánodo activo. El silicio es una alternativa interesante a esto porque ofrece una capacidad de almacenamiento diez veces decano. “Los ánodos de silicio aumentarían significativamente la capacidad total de la depósito de iones de litio”, subraya Schappacher. Edelberg incluso destaca las ventajas: “El silicio es de particular interés porque exhibe la segunda decano capacidad de almacenamiento en términos de peso luego del litio, lo que permite celdas con densidades de energía muy altas. Encima, es el segundo factor más global en la corteza terrenal”. Las celdas con una incorporación capacidad de carga rápida y que se pueden cargar del cinco al 80 por ciento en menos de 15 minutos son factibles.
“Sin requisa, cuando se absorbe el litio, las partículas de silicio se expanden en un 300 por ciento, lo que genera tensión mecánica en el material y el electrodo”, dice Schappacher. Si esto dañara las superficies de los electrodos, la vida útil de la depósito incluso se vería afectada. “El decano apalancamiento en términos de densidad de energía se logra mediante el uso de material activo de silicio puro, pero incluso hay que rivalizar con las peores desventajas en términos de vida útil”, dice Edelberg. Sin requisa, se está trabajando intensamente en ánodos con una proporción muy incorporación de silicio de hasta el 80 por ciento. Este es el camino que Cellforce (ver recuadro), por ejemplo, está siguiendo anejo con Porsche.
Más níquel en el cátodo
Igualmente se está trabajando intensamente en la optimización de los materiales activos para el cátodo. Lo importante en este caso es una combinación de una gran capacidad de carga y un suspensión potencial electroquímico del material. En la hogaño, el óxido de litio-níquel-cobalto-manganeso (NCM) en una proporción de 6:2:2, en términos de partes de níquel, cobalto y manganeso, se usa con decano frecuencia en electromovilidad en Europa.
En el futuro, es probable que aumente la décimo del níquel, mientras que el cobalto y el manganeso se utilizarán en último medida. La creciente décimo del níquel promete mayores capacidades de carga. El separador ofrece un potencial de optimización adicional, que consta de películas muy finas (de 10 a 20 micrómetros), compuestas principalmente de polietileno o polipropileno. Este separador cuesta espacio y peso. “El separador puede contribuir indirectamente al contenido de energía de una celda de depósito”, dice Edelberg. “Cuanto más delgado es, más capas o bobinas de electrodos caben en una celda. Esto aumenta la capacidad de la celda y el contenido de energía de una celda de depósito”.
Baterías compactas de estado sólido
Las baterías sólidas, un campo de acción en la que se están realizando intensas investigaciones, podrían precisar mucho menos espacio de instalación que las baterías de iones de litio convencionales. No utilizan una alternativa electrolítica, sino un electrolito de soporte sólido. “El plan para las celdas sólidas es que el clásico separador sea completamente reemplazado por una fina capa de electrolitos sólidos”, explica Edelberg. “El electrolito sólido es entonces electrolito y separador en uno”.
“El decano apalancamiento se logra mediante el uso de material activo de silicio puro”. Dra. Stefanie Edelberg, ingeniera diestro en celdas de depósito en Porsche Engineering
Al eliminar las soluciones de electrolitos y usar ánodos de metal de litio al mismo tiempo, los investigadores esperan conseguir un aumento en la densidad de energía de hasta un 50 por ciento y posiblemente tiempos de carga significativamente más rápidos, así como una quebranto inflamabilidad del electrolito sólido.
Al eliminar las soluciones de electrolitos y usar ánodos de metal de litio al mismo tiempo, los investigadores esperan conseguir un aumento en la densidad de energía de hasta un 50 por ciento y posiblemente tiempos de carga significativamente más rápidos, así como una quebranto inflamabilidad del electrolito sólido. En comparación con otros desarrollos, como las baterías de litio-aire, Schappacher considera que las baterías de estado sólido (SSB) basadas en litio son “una alternativa seria a las baterías de iones de litio”. Las baterías de iones de sodio (ver cuadro) son de particular interés para las aplicaciones de almacenamiento tópico oportuno a su último densidad de energía. La tecnología de litio-aire todavía plantea muchos desafíos y, tal como están las cosas, promete muy pocas ventajas. “Actualmente y incluso en el futuro previsible, las celdas de litio-aire definitivamente siguen siendo un tema de investigación básica”, dice Edelberg. Sin requisa, la química celular no es la única forma de optimizar las baterías. Los sensores celulares y el empaque ofrecen un decano potencial. Los niveles de carga de la depósito, por ejemplo, se pueden detectar de modo más precisa y rápida mediante sensores en las celdas. Esto permite acortar el tiempo de carga, por ejemplo, al permitir una carga rápida en rangos de voltaje especiales. El refrigeramiento de la celda incluso se puede controlar con decano precisión, lo que es una gran ayuda para la persistencia de la depósito.
En el futuro, el empaque y el diseño de las celdas incluso jugarán un papel importante en hacer que las baterías sean más poderosas. La tecnología de celda a paquete, por ejemplo, integra las celdas directamente en el paquete de baterías. “Esto elimina las piezas a pequeña escalera en las baterías actuales”, dice el Prof. Maximilian Fichtner, Director del Instituto Helmholtz Ulm (HIU) y Patrón de la dispositivo de investigación de Sistemas de Almacenamiento de Energía en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT).
“En extensión de conectar las celdas del tamaño de una mostrador de chocolate individualmente, las celdas de hasta 1,20 metros de espacioso ahora están apretadas cuando se instalan transversalmente en un ámbito, como el ámbito de listones de una cama”. Esto da como resultado una decano capacidad de almacenamiento y una mejor refrigeración en menos espacio.
Más potencial
“A mediano plazo, podemos esperar que la combinación de la nueva química del ánodo y el empaquetamiento denso de las celdas permita una autonomía del transporte de 1.300 km”, dice Fichtner. Schappacher incluso es jovial, incluso si es difícil predecir el impacto de los avances tecnológicos como la depósito de estado sólido. “Creo que veremos aumentos del 30 al 50 por ciento en el trascendencia de los vehículos premium en el futuro”, dilación el avezado, y enfatiza: “Más importante que simplemente aumentar el trascendencia es la capacidad de carga rápida”. Schappacher dilación que, algún día, la carga rápida al 80 por ciento del rango del transporte no tome mucho más tiempo que una parada de combustible.
“En el Taycan contemporáneo, se pudo conseguir un tiempo de carga de 22,5 minutos al cargar del cinco al 80 por ciento”, explica Markus Gräf, director de operaciones de Cellforce Group (ver incluso el recuadro). “Con el silicio como material de ánodo, se pueden alcanzar títulos de menos de 15 minutos a mediano plazo y significativamente más bajos a espacioso plazo”. Dicho esto, incluso habría que desarrollar estaciones de carga nuevas y más potentes para este propósito. Encima, los enchufes de carga necesitarán refrigeración activa en el futuro para que se puedan conducir de modo confiable altas capacidades de carga de más de 500 kW. Baterías de iones de litio optimizadas y nuevas tecnologías, como las baterías de estado sólido: gracias a la investigación y el mejora intensivos, los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica serán mucho más eficientes en los próximos primaveras, lo que hará que la movilidad eléctrica sea aún más atractiva.
Información
Texto publicado por primera vez en Porsche Engineering Magazine, número 1/2023
Texto: Chris Lower
Copyright: Todas las imágenes, videos y archivos de audio publicados en este artículo están sujetos a derechos de autor. No se permite la reproducción total o parcial sin el consentimiento por escrito del Dr. Ing. hc F.Porsche AG. Póngase en contacto con newsroom@porsche.com para obtener más información.
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