Tecnología de baterías para VE: retos y desarrollo

Dificultades de la tecnología de baterías para VE

• Precio elevado

El metal más utilizado en las baterías de los vehículos eléctricos es el litio, y el precio de este metal no es barato. Además, algunos tipos de baterías utilizan metales raros como el cobalto y el cadmio. Estos metales son más caros, por lo que actualmente los costes de fabricación de las baterías siguen siendo relativamente altos.

• Rendimiento de la batería

Las baterías de litio funcionan muy bien en todos los aspectos, con gran capacidad, alta tasa de aceptación de carga y soporte de carga rápida (las baterías de litio ordinarias soportan hasta 2C, y las baterías de litio de potencia son incluso superiores). Sin embargo, tienen una debilidad fatal, que es el rendimiento de sobrecarga y sobredescarga.

Una sola sobrecarga y sobredescarga de una batería de litio puede reducir permanentemente su rendimiento, y una sola sobrecarga y sobredescarga graves pueden hacer que se deseche. Por eso se desarrolló el fosfato de hierro y litio. El litio hierro fosfato es más resistente a la sobrecarga y la sobredescarga que las baterías de iones de litio.

La batería de litio hierro fosfato de alta potencia tiene una capacidad mucho menor que la batería de litio de alta capacidad. Por ejemplo, la capacidad de una Batería 18650 suele ser de unos 2400mAH, y la máxima alcanza los 2800mAH. La batería de energía de litio hierro fosfato es generalmente 1300mAH, y la capacidad máxima es 1500mAH, que es aproximadamente la mitad de la brecha de capacidad.

• Equilibrado de la batería

El rendimiento de sobrecarga y sobredescarga de las baterías de litio no es bueno, y la descarga del paquete de baterías tiene un equilibrio desigual. Es decir, cuando algunas baterías están completamente descargadas y otras no, continuar descargando hará que algunas baterías se sobredescarguen o incluso inviertan la polaridad, reduciendo la capacidad. Entonces, la brecha será cada vez mayor la próxima vez que se descargue la batería. Por lo tanto, las baterías deben emparejarse al salir de fábrica, e intentar juntarlas con la misma capacidad.

Sin embargo, sigue habiendo pequeñas diferencias en el entorno de uso, como la temperatura, la ubicación, el voltaje, el rendimiento de la batería, etc., que harán que la diferencia aumente. Además, el fallo de una sola batería puede provocar el desguace de todo el pack de baterías en casos graves.

• Tecnología de carga rápida

Por ejemplo, con una corriente de 1C, se tarda 1/1=1 hora desde la carga completa hasta la descarga; 2C=1/2 hora, lo que equivale a 30 minutos; y 4C tarda 15 minutos. La carga rápida y la carga lenta son conceptos relativos. En general, se cree que la carga rápida de la tecnología de baterías de VE se refiere a un método de carga con una corriente de carga superior a 1,6C, es decir, una tecnología de baterías de VE que carga de 0% a 80% en menos de 30 minutos.

Pero la mayor corriente supone un gran reto para la estación de carga y la batería. Durante la carga, se generan iones de litio en el electrodo positivo de la batería, y los iones de litio generados se desplazan al electrodo negativo a través del electrolito. El carbono utilizado como electrodo negativo tiene una estructura en capas y presenta muchos microporos para la inserción de los iones de litio que llegan al electrodo negativo. Cuantos más iones de litio se incrusten, mayor será la capacidad de carga.

Durante la carga rápida, los iones de litio deben acelerarse e incrustarse instantáneamente en el electrodo negativo. Esto supone un gran reto para la capacidad del electrodo negativo de recibir rápidamente los iones de litio. Las baterías con sistemas químicos ordinarios producirán subproductos en el electrodo negativo durante la carga rápida, lo que afecta al ciclo y la estabilidad de la célula de la batería.

Por lo tanto, el núcleo de la tecnología de baterías de vehículos eléctricos de carga rápida consiste en acelerar el movimiento de los iones de litio en los electrodos positivo y negativo mediante la optimización del sistema químico y el diseño, sin que ello afecte a la vida útil y la fiabilidad de las celdas de la batería.

Además, la velocidad de disipación del calor en el interior de la batería también es un factor importante que afecta al rendimiento de la velocidad. Si la velocidad de disipación del calor es lenta, el calor acumulado durante la carga y descarga a alta velocidad no puede transferirse al exterior, lo que afectará a la fiabilidad y la vida útil de la batería de iones de litio.

• Proporción de energía de la batería

Según los expertos del sector, la primera forma de superar la ansiedad por el kilometraje es aumentar la densidad energética de las baterías. Esta es también la orientación del Gobierno y la que persigue la fabricantes de baterías de litio personalizadas en la industria. En la actualidad, la densidad energética de las principales empresas de baterías eléctricas ha superado los 180wh/kg, la densidad energética de las baterías 811 puede alcanzar los 280wh/kg, y la densidad energética de los materiales de silicio puede superar los 300wh/kg.

Sin embargo, tanto los separadores de electrodos positivos como los negativos requieren mejoras en la tecnología de las baterías de los VE. Según los expertos mencionados, la ansiedad por la duración de las baterías es inseparable de su baja densidad energética. El kilometraje actual de las baterías puede alcanzar más de 300 kilómetros o incluso 400 kilómetros.

El aumento de la densidad energética requiere la mejora de los materiales de los electrodos positivos y negativos, así como una mayor investigación sobre el emparejamiento de los electrodos. batería de alto voltaje electrolitos, separadores resistentes a altas temperaturas y de alta resistencia, procesos de reposición de litio, estructuras de control de seguridad de baterías, estructuras de protección de sistemas y otras tecnologías de baterías para VE.

Si no se produce un avance tecnológico evidente en los materiales de las baterías de litio, será difícil que se produzcan nuevos avances una vez que la energía específica alcance un determinado nivel, mientras que el impacto negativo sobre la seguridad será cada vez mayor. Antes de dominar las reglas de fuego de las baterías de litio, no se puede ignorar el equilibrio entre densidad energética, seguridad y larga vida útil.

• Seguridad de la batería

Durante su uso, el motivo por el que las baterías de litio se inflaman espontáneamente es que no se han tomado las medidas de protección necesarias o se han producido daños graves por fuerzas externas, lo que provoca fallos en la protección y el contacto entre el litio metálico y el aire.

El litio es uno de los metales más reactivos, pero las baterías de iones de litio tienen un tamaño reducido, una alta densidad de capacidad y una gran densidad energética, lo que las convierte en la primera opción para la tecnología de baterías de vehículos eléctricos. Las baterías de iones de litio utilizan la ganancia y pérdida de electrones y la migración y acumulación de iones de litio para almacenar energía eléctrica.

Cuando se carga la pila, los átomos de litio del electrodo positivo pierden electrones y se convierten en iones de litio, creando una diferencia de potencial. Los iones de litio en el medio electrolítico migran y se acumulan hacia el electrodo negativo bajo la acción de la diferencia de potencial. Cuando se descarga, todo el proceso se invierte. Todo el proceso de funcionamiento está determinado por la ganancia y la pérdida de litio metálico en el electrodo.

Innovaciones en tecnología de baterías para fabricantes de vehículos eléctricos

• CATL

① Batería condensada

CATL lanzó productos de baterías condensadas, esforzándose por superar el límite de densidad energética (500wh/kg), con características como alta seguridad, ligereza, alta densidad energética y larga vida de ciclo. El uso de electrolitos condensados para construir una estructura de red adaptable mejora el rendimiento dinámico de la batería y la eficiencia de la transmisión de iones de litio, las baterías condensadas se han utilizado en el desarrollo colaborativo de proyectos de aviones tripulados eléctricos civiles y está previsto que alcancen aplicaciones comerciales.

② Kirin 4C

Las baterías Kirin se entregan oficialmente al modelo Zeekr 009, y el primer lote de modelos fabricados en serie equipados con baterías Kirin de 4C se utilizará en los modelos Lixiang.

③ Sistema de batería AB

El sistema de batería AB de "hierro-litio + ternario" de CATL se ha instalado en los productos de NIO, y después el sistema de batería AB de "batería de litio + batería de sodio" se ha ampliado a los modelos convencionales con una autonomía de 500 kilómetros. La batería de iones de sodio se lanzará en los modelos de Chery. Por supuesto, ninguno de estos productos tendrá especial repercusión a corto plazo, pero podrían tener importantes efectos a largo plazo.

• BYD

Batería de cuchillas

La batería de pala de BYD se denomina batería de super litio hierro fosfato y utiliza la nueva tecnología de baterías para VE en el diseño de la estructura de la batería. La principal característica de la batería blade es el diseño plano de la célula de la batería, que puede tener una longitud de hasta 2.500 mm, lo que aumenta la densidad volumétrica de energía en 50%. Además, la vida útil de la batería puede alcanzar más de 8 años y 1,2 millones de kilómetros. Y lo que es más importante, el coste de los nuevos productos puede reducirse entre 20 y 30%.

Gracias a la innovación estructural, los "módulos" pueden omitirse al formar un grupo, lo que mejora enormemente la utilización del volumen y, en última instancia, logra el objetivo de diseño de instalar más baterías en el mismo espacio. En comparación con los paquetes de baterías tradicionales, el aprovechamiento del volumen de las baterías de las palas ha aumentado en más de 50%, lo que significa que la autonomía de crucero puede incrementarse en más de 50%.

Ha alcanzado el mismo nivel que la alta densidad energética batería ternaria de litio. La autonomía de crucero supera los 600 km y puede cargarse y descargarse más de 3.000 veces.

• Sunwoda

Flash de carga de la batería

En cuanto a la primera batería de carga flash producida en serie del mundo con una potencia de carga máxima de 480 kW, Sunwoda presentó que habrá dos soluciones: cuadrada y cilíndrica. Entre ellas, la solución de batería cuadrada puede lograr una carga flash y puede cargar de 20% a 80% SOC en 10 minutos.

Según los informes, la batería cuadrada de carga rápida 2.0 puede combinarse con soluciones de diseño como la inversión del sistema/separación termoeléctrica, y actualmente está cooperando a fondo con las principales empresas automovilísticas. Puede cargarse durante 5 minutos y recorrer más de 250 kilómetros.

La solución de batería cilíndrica se carga rápidamente y puede cargarse hasta 80% SOC en 10-15 minutos, alcanzando fácilmente más de 1.000 kilómetros de autonomía. El sistema de baterías tiene una alta compatibilidad y adaptabilidad, adaptándose a diferentes soluciones CTB compatibles con la envolvente.

La batería de carga rápida adopta tecnología clave de baterías de vehículos eléctricos, como la tecnología de material de silicio de carga rápida de diseño propio, los cátodos de níquel medio de alta seguridad de diseño propio y la nueva tecnología de electrolito de sistema basado en silicio de desarrollo propio.

Tendencias de desarrollo de la tecnología de baterías para VE

• Tendencia 1: Los materiales catódicos evolucionan hacia un alto contenido en níquel, el cobalto y el manganeso se reducen progresivamente.

El material del cátodo de las baterías ternarias de litio suele estar compuesto de níquel cobalto manganeso o níquel cobalto aluminio. Entre las materias primas metálicas como el níquel, el cobalto y el manganeso (aluminio), los recursos de cobalto son relativamente escasos y están desigualmente distribuidos.

En la actualidad, China tiene unas reservas probadas de cobalto de unas 80.000 toneladas, lo que supone sólo unas 1% de las reservas totales mundiales, y depende en gran medida de las importaciones. Con el desarrollo de la tecnología de baterías para vehículos eléctricos, los precios del cobalto también han subido. Por tanto, reducir el contenido de cobalto en los materiales ternarios es crucial para el control general de costes de los fabricantes de cátodos.

El cobalto desempeña un papel en la estabilización de la estructura de la batería ternaria y no participa en la reacción electroquímica; el papel del níquel es aumentar la densidad energética volumétrica del material. Por tanto, reducir el contenido de cobalto y aumentar el de níquel es una buena forma de aumentar la densidad energética de la batería y reducir costes.

Empresas líderes en baterías eléctricas como Panasonic, LG y CATL han adoptado las baterías con bajo contenido en cobalto y sin cobalto como sus líneas de investigación para la próxima generación de baterías eléctricas y el desarrollo de la tecnología de baterías para vehículos eléctricos. Sin embargo, los problemas de la tecnología de las baterías de los VE, como la seguridad y la adaptación del electrolito de las baterías ternarias tras la eliminación del cobalto, aún deben superarse.

En la actualidad, la NCM811 (la proporción de níquel, cobalto y manganeso es de 8:1:1) es la pila ternaria de níquel-cobalto-manganeso con menor contenido de cobalto que se ha fabricado en serie.

• Tendencia 2: Los materiales del ánodo, como los basados en el silicio, son la futura dirección de desarrollo de la tecnología de baterías para VE, y el silicio-carbono y el silicio-oxígeno son las principales rutas tecnológicas de las baterías para VE.

El material del ánodo es uno de los materiales básicos de las baterías de iones de litio. La mejora del rendimiento de las baterías de iones de litio depende en cierta medida de la mejora del rendimiento de los materiales de los ánodos.

Los ánodos de las baterías de litio se dividen principalmente en dos categorías: materiales de carbono y materiales sin carbono. En la actualidad, el mercado de materiales para ánodos sigue manteniendo una estructura de productos dominada por el grafito artificial y complementada por el grafito natural.

Desde el punto de vista de la tecnología de baterías para vehículos eléctricos, el límite superior de capacidad de los materiales de ánodo de grafito ya no puede satisfacer la demanda de mayor densidad energética de los vehículos eléctricos. El silicio es la clave para mejorar la densidad energética de las baterías eléctricas. En la actualidad, la principal dirección de desarrollo de los materiales basados en el silicio son los materiales compuestos de silicio-carbono y los materiales compuestos de silicio-oxígeno.

A medida que aumentan los requisitos de densidad energética de las baterías de potencia, un sistema de electrodos negativos de silicio-carbono emparejados con materiales ternarios de alto contenido en níquel se ha convertido en una tendencia de desarrollo de la tecnología de baterías para vehículos eléctricos.

Por ejemplo, la batería 4680 de Tesla utiliza un electrodo positivo de alto contenido en níquel y un electrodo negativo de carbono y silicio. Empresas de baterías como CATL, Panasonic, LG y EVE tienen planes de capacidad de producción para la tecnología de baterías 4680 EV. También se espera que el gran cilindro 4680 y la tecnología de carga rápida aceleren la aplicación de electrodos negativos basados en silicio.

• Tendencia 3: La estructura de las baterías de energía evoluciona hacia módulos de gran tamaño o sin módulos.

Además de la iteración de materiales, la innovación estructural es otra importante vía de desarrollo tecnológico de la tecnología de baterías para VE. El sistema tradicional de tecnología de baterías para VE suele ser un modelo de ensamblaje de tres niveles de "célula-módulo-paquete de baterías". Sin embargo, el índice de utilización del espacio de la configuración de módulos es de sólo 40%, lo que limita enormemente el espacio para otros componentes.

Por ello, los principales fabricantes han introducido mejoras estructurales y simplificaciones en aspectos como las celdas, los módulos y los métodos de embalaje para mejorar el rendimiento de los sistemas de baterías. El desarrollo de la integración de baterías (CTP, CTC, CTB) se ha convertido gradualmente en una dirección clave de investigación y aplicación en la industria.

• Tendencia 4: Las rutas tecnológicas de las pilas de energía se desarrollan de forma diversificada.

Las reservas mundiales de recursos de litio son limitadas, y las reservas probadas de cobalto, níquel y otros recursos de China representan una proporción baja del mundo. El desarrollo de la tecnología de baterías de iones de litio para VE se verá restringido a largo plazo por la escasez de recursos de litio.

En 2021, la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y la política de la Administración Nacional de Energía señalaron que los nuevos soluciones de almacenamiento de energía son equipos importantes y básicos que sustentan los nuevos sistemas de energía. El dictamen pide que se respete el desarrollo diversificado de la tecnología de baterías para VE.