Estos son los principales materiales utilizados en las baterías de vehículos eléctricos:
- Cobalto
- Níquel
- Manganeso
- Grafito
- Silicio
La revolución de los vehículos eléctricos (EV) está acelerando el ritmo, con países como el Reino Unido y Francia. imponer plazos eliminar gradualmente los automóviles con motor de gasolina y diésel. Los vehículos eléctricos son el reemplazo obvio, pero Las baterías para vehículos eléctricos han sido tradicionalmente caras y relativamente ineficientes. Hasta hace poco, los vehículos eléctricos han tenido problemas para viajar más de 200 millas con una sola carga, y el tiempo de recarga hace que los viajes largos sean un calvario.
Eso está a punto de cambiar.
¿Qué hay detrás del cambio? Una revolución en los materiales utilizados en las baterías recargables para vehículos eléctricos que aumentar su eficiencia, haciendo alcanzables largas distancias y creando tiempos de carga más cortos.
Los cinco tipos principales de baterías que se utilizan para vehículos eléctricos en este momento son todos basados en iones de litio (Li-ion):
1. Óxido de litio y cobalto (LCO)
Las baterías LCO se utilizan principalmente para dispositivos electronicos portatiles – teléfonos inteligentes, tabletas, etc., pero también se puede utilizar para vehículos eléctricos más pequeños. Es relativamente no volátil y seguro.
El principal inconveniente es que contienen cantidades significativas de cobalto, que es un material costoso que conlleva desafíos de abastecimiento. Por esta razón, rara vez se usa en vehículos eléctricos comerciales.
2. Óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC)
Las baterías NMC probablemente el tipo más común utilizado para alimentar vehículos eléctricos. Ellos tienen Química estable y materiales relativamente económicos. que contiene solo una pequeña cantidad de cobalto. Funcionan bien, proporcionan una alta densidad de energía y se cargan rápidamente en comparación con otras baterías.
3. Aluminio de litio, níquel y cobalto (NCA)
Baterías NCA fueron el primer intento comercial de reemplazar el costoso cobalto con níquel en las baterías de iones de litio. Funcionan bien, proporcionando una buen rendimiento energético y son económicos de producir. Se han utilizado ampliamente tanto en dispositivos electrónicos portátiles como en vehículos eléctricos, aunque las baterías NMC se han convertido en la opción preferida en los últimos años.
4. Fosfato de litio y hierro (LFP)
La más segura de todas las baterías de iones de litio, con un muy composición química estable. También tiene un alta densidad de energía, lo que lo hace ideal para vehículos eléctricos más grandes, como furgonetas, autobuses o camiones.
5. Óxido de litio y manganeso (OVM)
Las baterías LMO estuvieron entre las primeras que se usaron en los primeros vehículos eléctricos debido a su rendimiento energético decente y al bajo costo de los materiales. sin embargo, el El inconveniente es que las celdas no son tan duraderas como otros tipos de baterías, dándoles un ciclo de vida relativamente corto.
Paquete de baterías de litio de coche eléctrico y conexiones de alimentación.
Este artículo analizará algunos de los materiales esenciales que se utilizan para crear las diferentes partes de las baterías más eficientes y rentables, como NMC, y por qué se han elegido.
El electrolito es una parte crucial de cualquier batería, actuando como un catalizador para aumentar la conductividad ayudando a transferir iones del cátodo al ánodo al cargar y viceversa al descargar. Los electrolitos pueden ser en estado líquido, es decir, ácidos como el ácido sulfúrico (H₂SO₄) o sales solubles, o en estado sólido utilizando polímeros como el policarbonato.
En este momento, todas las baterías de vehículos eléctricos son de estado líquido, pero las baterías de estado sólido ofrecen muchos beneficios, como ser más pequeñas y livianas, proporcionar una mayor capacidad y ser más baratas de producir. Toyota anunció que planea lanzar un vehículo eléctrico con batería de estado sólido para 2020.
La mayoría de los electrolitos de las baterías de vehículos eléctricos están basados en iones de litio., lo que significa que utilizan litio para transportar la carga entre los electrodos. Aunque el principio es el mismo que el de la batería de un teléfono móvil, una batería EV típica utiliza 10.000 veces la cantidad de litio. Como resultado, el precio del litio se ha disparado a medida que aumenta la demanda.
Cobalto
El cobalto era el primer material utilizado para cátodos en baterías de iones de litio y se ha utilizado en grandes cantidades en los últimos años. La estructura molecular de compuesto apretado del cobalto lo hace ideal para mantener un flujo rápido de electrones a través de la batería.
Sin embargo, el cobalto es cada vez más escaso debido al uso excesivo en la industria de las baterías de iones de litio, lo que representa una participación del 55% en el suministro mundial de cobalto. Es un subproducto de la extracción de cobre y níquel y su extracción es costosa. Otro problema es que el cobalto no se recicla fácilmente, necesitando mucho refinamiento antes de volver a ser utilizables, lo que los hace prohibitivos en cuanto a costos.
El cátodo representa aproximadamente el 24% del costo total de una batería de iones de litio., por lo tanto, las alternativas menos costosas al cobalto se han vuelto populares en los últimos años.
Níquel
Se necesita níquel de alta pureza para producir cátodos de batería EV debido a su extra durabilidad. Se utiliza en el cátodo en forma de sulfato de níquel. El sulfato de níquel se puede fabricar a partir de níquel de clase 1 (alto grado) o de clase 2. Aunque es menos costoso como materia prima, el níquel de clase 2 necesita disolverse y purificarse antes de su uso en el cátodo, lo cual es un proceso costoso. Por lo tanto, el níquel de clase 1 es el material de elección.
Los fabricantes de baterías están dispuestos a utilizar más níquel es mucho más barato que el cobalto. A menudo se mezcla con pequeñas cantidades de cobalto para producir cátodos más rentables. Por lo tanto, se espera que la demanda de níquel de clase 1 aumente crecer un 30% cada año entre 2018 y 2025, alcanzando potencialmente los 570 kT, alrededor de diez veces la demanda actual. Estas predicciones significan que algunas empresas de reciclaje están mostrando interés en el reciclaje de níquel de baterías viejas para ayudar a satisfacer la demanda.
Manganeso
El manganeso de alta pureza y alta calidad se utiliza a menudo para crear los cátodos de las baterías NMC. También se utiliza a veces en forma de dióxido de manganeso electrolítico (EMD), que se produce al disolver dióxido de manganeso (MnO2) en ácido sulfúrico y enviar una corriente a través de dos electrodos.
El dióxido de manganeso se disuelve en sulfato en el liquido, que luego se deposita en la superficie del ánodo. La sustancia se elimina y se puede mezclar con una pequeña cantidad de cobalto para crear el cátodo en las baterías de iones de litio.
Grafito
El grafito es el material más utilizado para los ánodos de baterías de vehículos eléctricos. Se necesitan 25 kg de grafito de alta pureza para una batería de tamaño medioy hasta 54 kg para baterías grandes como las que se utilizan en el Tesla Model S.
El proceso de fabricación de ánodos de grafito es costoso y requiere mucho tiempo. Implica la creación de grafito sintético a partir de coque de petróleo calcinado o limpio (un subproducto de la refinería de petróleo), un material fino de grava, que se une con brea de alquitrán de hulla. Para una máxima absorción de iones de litio, el grafito utilizado para el ánodo debe ser de alta calidad, con una estructura altamente cristalina.
Luego, la mezcla se cuece en carbón puro, que prácticamente no tiene propiedades conductoras. A continuación, se produce un proceso de «grafitización» o inducción magnética, en el que se aplica una carga de CC de baja tensión y alta corriente a través del horno. Finalmente, se aplica cera o resina como barrera contra la humedad, para evitar la degradación del ánodo en las baterías de estado líquido.
Silicio
El silicio tiene una serie de ventajas sobre el grafito como material de ánodo, incluido el menor costo del material y la fabricación. Además, puede absorber y contener una cantidad mucho mayor de iones de litio al cargarse que el grafito. Esta aumenta la eficiencia de la batería, lo que significa que los vehículos eléctricos pueden alcanzar distancias más altas con una sola carga. Los ánodos de silicio aún están en desarrollo, pero es probable que estén en uso comercial para 2020.
Muchos de los principales los materiales utilizados en las baterías de los vehículos eléctricos son escasos. En combinación con el creciente número de vehículos eléctricos que se están desarrollando, existe una rápida innovación en las baterías que se utilizan para alimentarlos. Encontrar materiales que se puedan producir a bajo costo, así como mejorar la eficiencia de la batería, la durabilidad y reducir el peso son prioridades para la industria.
Por ejemplo, materiales como el silicio y el grafeno son candidatos probables para reemplazar el grafito como los materiales de elección para el ánodo. El uso de estos materiales aumentará el alcance que pueden alcanzar los vehículos con una sola carga.
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