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Desarrollos de las baterías de plomo-ácido
Las baterías de plomo-ácido no han cambiado mucho desde los diseños iniciales (inventados por Gaston Planté en 1859). Cambios incrementales y, en particular, el desarrollo de un control preciso del sistema de carga ha permitido el uso de baterías selladas y libres de mantenimiento.
Los otros principales desarrollos se han centrado en el diseño de baterías para usos específicos. Esto es especialmente adecuado para aplicaciones como baterías suplementarias en una caravana o como fuentes de alimentación para cortadoras de césped y otros usos de tracción. Estas baterías están diseñadas para permitir una descarga profunda y, en el caso de las baterías de caravana, también pueden tener tubos de ventilación para permitir la salida de gases al exterior. Algunas baterías están diseñadas para soportar vibraciones severas para su uso en vehículos tipo maquinaria. Los procesos en las baterías de plomo-ácido son muy similares, incluso con variaciones en el diseño. Sin embargo, vale la pena mencionar las baterías que utilizan un gel en lugar de electrolito líquido. Estas baterías tienen muchas ventajas, ya que no gotean y son más resistentes a un manejo deficiente. El único problema principal al utilizar un electrolito en gel es que la velocidad de la reacción química se reduce. Si bien esto no es un problema para algunos tipos de suministro, la corriente requerida por un motor de arranque de un vehículo es muy alta durante un corto período de tiempo. Por lo tanto, la capacidad de amperios de arranque en frío (CCA, por sus siglas en inglés) de este tipo de batería a menudo es menor que la de una batería convencional de tamaño equivalente.
El electrolito de tipo gel sólido utilizado en algunos tipos de estas baterías es tixotrópico. Esto significa que, debido a una alta viscosidad, el gel permanecerá inmóvil incluso si la batería se invierte. Una ventaja adicional de un electrolito de gel sólido es que se forma una red de caminos porosos a través del electrolito. Si la batería se sobrecarga, el oxígeno emitido en la placa positiva viajará a la placa negativa, donde se combina con el plomo y el ácido sulfúrico para formar sulfato de plomo y agua:
O2 + 2Pb + 2PbO
PbO + H2SO4 → PbSO4 + H2O
Esta reformación del agua significa que la batería es verdaderamente libre de mantenimiento. El procedimiento de recarga es muy similar al de las baterías más convencionales. Hasta la fecha, las baterías de tipo gel no han demostrado ser exitosas para el uso normal en vehículos motorizados, pero son una elección apropiada para vehículos de alto rendimiento especializados que se arra
Un desarrollo interesante en las baterías de plomo-ácido "normales" es el uso de plomo-antimonio (PbSb) para las rejillas de la placa positiva y plomo-calcio (PbCa) para las rejillas de la placa negativa. Esto resulta en una reducción significativa en la pérdida de agua y un aumento en la vida útil del servicio. Las placas están selladas en separadores microporosos tipo bolsillo, en cada lado de los cuales se encuentran esteras de refuerzo de fibra de vidrio. Los separadores de bolsillo recogen todos los sedimentos y, por lo tanto, ayudan a mantener el electrolito en buenas condiciones.
Baterías alcalinas
Las baterías de plomo-ácido tradicionalmente requerían una cantidad considerable de mantenimiento para mantenerlas en buen estado, aunque esto ya no es el caso con la llegada de las baterías selladas y libres de mantenimiento. Sin embargo, cuando se requiere que una batería soporte una alta tasa de carga y descarga de manera regular, o se deja en estado de desuso durante largos períodos, la celda de plomo-ácido no es ideal. En cambio, las celdas alcalinas requieren un mantenimiento mínimo y son mucho más capaces de resistir abusos eléctricos como descargas intensas y sobrecargas. Las desventajas de las baterías alcalinas son que son más voluminosas, tienen una menor eficiencia energética y son más costosas que un equivalente de plomo-ácido. Sin embargo, cuando se considera la vida útil de la batería y los requisitos de mantenimiento, el costo inicial adicional vale la pena para algunas aplicaciones. Empresas de autobuses, autocares y algunos operadores de vehículos de carga han utilizado baterías alcalinas.
Las baterías alcalinas utilizadas para aplicaciones en vehículos son generalmente del tipo níquel-cadmio, ya que la otra variedad principal (níquel-hierro) es menos adecuada para su uso en vehículos. Los principales componentes de la celda de níquel-cadmio, o Nicad, para uso en vehículos son los siguientes:
- Placa positiva: oxihidróxido de níquel (NiOOH).
- Placa negativa: cadmio (Cd).
- Electrolito: hidróxido de potasio (KOH) y agua (H2O).
El proceso de carga implica que el oxígeno se desplaza de la placa negativa a la placa positiva, y ocurre lo contrario durante la descarga. Cuando está completamente cargada, la placa negativa se convierte en cadmio puro y la placa positiva se convierte en hidrato de níquel. A continuación se muestra una ecuación química que representa esta reacción, aunque es importante tener en cuenta que esta es una simplificación de una reacción más compleja:
2NiOOH + Cd + 2H2O + KOH <--> 2Ni(OH)2 + CdO2 + KOH
El 2H2O se libera como hidrógeno (H) y oxígeno (O2) durante la carga, ya que se produce una liberación de gases constantemente. Es este consumo de agua por parte de las celdas lo que indica que están en funcionamiento, como se puede observar en la ecuación. El electrolito no cambia durante la reacción, lo que significa que una lectura de densidad relativa no indicará el estado de carga. Estas baterías no sufren sobrecargas porque una vez que el óxido de cadmio se ha convertido en cadmio, no puede producirse más reacción.
El voltaje de una celda completamente cargada es de 1.4 V, pero disminuye rápidamente a 1.3 V tan pronto como comienza la descarga. La celda se descarga a un voltaje de celda de 1.1 V. La Figura siguiente muestra una representación simplificada de una celda de batería Nicad.
Figura : Representación simplificada de una celda de batería alcalina de Nicad
Las baterías de níquel-metal-hidruro (Ni-MH) muestran cierta promesa para su uso en vehículos eléctricos.
La batería ZEBRA
La Actividad de Investigación de Baterías de Emisiones Cero (Zero Emissions Battery Research Activity - ZEBRA, por sus siglas en inglés) ha adoptado una batería de sodio-níquel-cloruro para su uso en su programa de vehículos eléctricos. Esta batería funciona según un principio electroquímico. Los materiales base son níquel y cloruro de sodio. Cuando la batería se carga, se produce cloruro de níquel en un lado de un electrolito cerámico y sodio en el otro. Durante la descarga, los electrodos vuelven a los materiales base. Cada celda de la batería tiene un voltaje de 2.58 V. La batería funciona a una temperatura interna de 270-350 °C, lo que requiere un recinto aislado térmicamente. La unidad completa está "empaquetada al vacío" para asegurar que la superficie externa nunca supere los 30 °C. La batería ZEBRA tiene una densidad de energía de 90 Wh/kg, que es más del doble que la de un tipo de plomo-ácido. Cuando se utiliza en el vehículo eléctrico (EV), el paquete de baterías consta de 448 celdas individuales con una calificación de 289 V. La densidad de energía es de 81 Wh/kg; tiene una masa de 370 kg (más de 1/4 de la masa total del vehículo) y mide 993 x 793 x 280 mm3. El paquete de baterías se puede recargar en solo una hora utilizando una fuente de alimentación externa. Actualmente se encuentra en uso/desarrollo en el vehículo Mercedes Clase A.
Supercondensadores
Los supercondensadores o super capacitores son condensadores de muy alta capacidad pero de tamaño (relativamente) reducido. Esto se logra mediante el uso de varios materiales de electrodos distintos preparados mediante procesos especiales. Algunos supercondensadores de última generación se basan en electrodos de dióxido de rutenio (RuO2) y carbono con una gran área superficial. El rutenio es extremadamente costoso y solo está disponible en cantidades muy limitadas.
Los capacitores electroquímicos se utilizan en aplicaciones de alta potencia como electrónica celular, acondicionamiento de energía, láseres industriales, equipos médicos y electrónica de potencia en vehículos convencionales, eléctricos e híbridos. En vehículos convencionales, los supercondensadores podrían utilizarse para reducir la necesidad de grandes alternadores para satisfacer demandas de potencia máxima intermitentes relacionadas con la dirección asistida y los frenos. Los supercondensadores recuperan la energía de frenado disipada como calor y se pueden utilizar para reducir las pérdidas en la dirección asistida eléctrica.
Un sistema utilizado en un autobús híbrido utiliza 30 supercondensadores para almacenar 1600 kJ de energía eléctrica (20 faradios a 400 V). El banco de condensadores tiene una masa de 950 kg. El uso de esta tecnología permite recuperar energía, como la generada al frenar, que de lo contrario se habría perdido. Los condensadores se pueden cargar en un tiempo muy corto. La energía en los condensadores también se puede utilizar rápidamente, por ejemplo, para una aceleración rápida.
Nota relacionada: Los supercondensadores son una tecnología prometedora en el campo de almacenamiento de energía. A diferencia de las baterías, que almacenan energía químicamente, los supercondensadores almacenan energía electrostáticamente y pueden cargarse y descargarse rápidamente. Esto los hace ideales para aplicaciones que requieren ráfagas de energía de alta potencia, como el arranque de motores o la recuperación de energía en sistemas de frenado regenerativo. Sin embargo, los supercondensadores aún tienen limitaciones en cuanto a su densidad de energía, lo que significa que no pueden almacenar tanta energía como las baterías convencionales.
Celdas de combustible
La energía de oxidación de los combustibles convencionales, que normalmente se manifiesta como calor, puede convertirse directamente en electricidad en una celda de combustible. Todas las oxidaciones implican una transferencia de electrones entre el combustible y el oxidante, y esto se utiliza en una celda de combustible para convertir la energía directamente en electricidad. Todas las celdas de batería implican una reducción de óxido en el polo positivo y una oxidación en el polo negativo durante alguna parte de su proceso químico. Para lograr la separación de estas reacciones en una celda de combustible, se requieren un ánodo, un cátodo y un electrolito. El electrolito se alimenta directamente con el combustible. Se ha descubierto que un combustible de hidrógeno combinado con oxígeno resulta ser el diseño más eficiente. Las celdas de combustible son muy confiables y silenciosas en su funcionamiento, pero actualmente son muy costosas de construir. La Figura siguiente muestra una representación simplificada de una celda de combustible. El funcionamiento de un tipo de celda de combustible es tal que cuando se pasa hidrógeno sobre un electrodo (el ánodo) de níquel poroso, que está recubierto con un catalizador, el hidrógeno se difunde en el electrolito. Esto hace que se despojen los electrones de los átomos de hidrógeno. Estos electrones luego pasan a través del circuito externo. Se forman aniones de hidrógeno cargados negativamente (OH) en el electrodo sobre el cual se pasa oxígeno de manera que también se difunde en la solución. Estos aniones se mueven a través del electrolito hacia el ánodo. El electrolito utilizado es una solución de hidróxido de potasio (KOH). El agua se forma como subproducto de una reacción que involucra a los iones de hidrógeno, los electrones y los átomos de oxígeno. Si se utiliza el calor generado por la celda de combustible, es posible lograr una eficiencia de más del 80%, junto con una muy buena cifra de densidad de energía. Una única unidad de celda de combustible a menudo se denomina "stack".
Figura : representación de una celda de combustible
La temperatura de funcionamiento de estas celdas varía, pero aproximadamente 200 °C es típico. También se utiliza alta presión, que puede ser del orden de 30 bares. Son las presiones y el almacenamiento de hidrógeno los principales problemas que se deben superar antes de que la celda de combustible se convierta en una alternativa realista a otras formas de almacenamiento para el mercado masivo. Sin embargo, la siguiente sección explica una forma de solucionar el problema del "hidrógeno".
Las celdas de combustible utilizadas en vehículos de "transporte urbano" suelen utilizar pilas de 20 a 10 kW (200 kW) que operan a 650 V.
Desarrollos en celdas de combustible
La transición de la industria automotriz hacia los vehículos eléctricos (EV) se está acelerando. El año 2026 ha surgido como un punto de inflexión para acelerar la adopción de los EV y impulsar las tendencias de electrificación automotriz. Para el año 2030, más de uno de cada cuatro automóviles de pasajeros nuevos vendidos será un vehículo eléctrico. Muchos fabricantes de vehículos importantes de todo el mundo han señalado el fin de una era de los motores de combustión interna (ICE) a medida que se intensifica la transición hacia vehículos de emisión cero (ZEV).
Se espera que los principales fabricantes de automóviles representen más del 70% de la producción global de vehículos eléctricos para el año 2030 (en comparación con 2022, cuando representaban solo el 10% de todos los fabricantes de EV). Pero a pesar de las opciones cada vez más numerosas que tienen los consumidores de vehículos eléctricos y las tasas de fidelidad sin precedentes entre los compradores recurrentes de EV, la industria en su conjunto aún necesita abordar la ansiedad por la autonomía de los consumidores, especialmente aquellos sin garaje o aquellos que viajan largas distancias.
Figura : Mercedes-Benz Clase A
La solución debe ser un esfuerzo conjunto entre múltiples industrias: automotriz, servicios públicos, gobierno y propietarios de propiedades privadas como centros comerciales y complejos de apartamentos. A medida que estos caminos convergen, las tendencias de electrificación de vehículos aumentarán de manera exponencial. Y es posible que veamos el fin de la era de los motores de combustión interna.
Algunos fabricantes de vehículos han acercado la tecnología de celdas de combustible a la realidad de producción con un sistema a bordo para generar hidrógeno a partir de metanol. Daimler-Benz, en colaboración con la empresa canadiense Ballard Power Systems, afirmó que este sistema es un "pionero mundial". El vehículo de investigación se llama NECAR (New Electric Car) y está basado en el modelo "Clase A" de Mercedes-Benz. En el sistema, un reformador convierte el metanol en hidrógeno mediante la reformación con vapor de agua. El gas de hidrógeno se suministra a las celdas de combustible para reaccionar con el oxígeno atmosférico, lo que a su vez produce energía eléctrica.
Lo atractivo del metanol es que se puede adaptar fácilmente a la infraestructura existente de estaciones de servicio de gasolina/diésel y no requiere equipos o manipulación altamente especializados. Es fácil de almacenar a bordo del vehículo, a diferencia del hidrógeno que necesita tanques pesados y costosos. En el momento de escribir esto, el NECAR tiene un rango de aproximadamente 400 km con un tanque de metanol de 40 litros. También se está considerando el suministro de hidrógeno con múltiples combustibles.
La tecnología del reformador de metanol utilizada se ha beneficiado de desarrollos que han permitido que el sistema sea más pequeño y eficiente en comparación con esfuerzos anteriores. Como resultado, se ha logrado una unidad de 470 mm de altura ubicada en la parte trasera del Clase A, en la cual el reformador inyecta directamente hidrógeno en las celdas de combustible. La producción de hidrógeno ocurre a una temperatura de aproximadamente 280 °C. El metanol y el vapor de agua se vaporizan para generar hidrógeno (H), dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO). Después de la oxidación catalítica del CO, el gas de hidrógeno se alimenta al polo negativo de la celda de combustible, donde se encuentra una lámina de plástico especial recubierta con un catalizador de platino y encajada entre dos electrodos. La conversión del hidrógeno en protones cargados positivamente y electrones cargados negativamente comienza con la llegada de oxígeno al polo positivo.La lámina es permeable solo a los protones, por lo tanto, se genera un voltaje a través de la celda de combustible.
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