Baterías de iones de litio, futuro para vehículos híbridos y eléctricos

Las baterías de iones de litio proporcionarán en el futuro la energía necesaria para los motores híbridos y eléctricos de los automóviles. Empresas fabricantes de estas baterías de litio, como Bosch, estiman que en el año 2015, el 3 % de los vehículos híbridos y eléctricos en el mercado mundial se muevan con esta tecnología.

Con el desarrollo y la posterior fabricación de baterías de iones de litio para automóviles, Bosch completa su gama de productos para motores híbridos y eléctricos. Desde el 1 de septiembre de 2008, Bosch trabaja con su socio coreano Samsung SDI en la empresa conjunta “SB LiMotive Co Ltd.” para lograr este objetivo. “Somos el primer y único proveedor de componentes para automóviles que desarrolla —en el marco de una empresa conjunta— baterías de iones de litio para hacer frente a las complejas exigencias del automóvil”, explicó Wolf-henning Scheider, responsable de la dirección del área Gasoline Systems. Bosch y Samsung quieren empezar en 2011 la fabricación de sistemas de baterías.

“Junto a las competencias centrales de Bosch en Técnica de Automoción y el know how técnico que Samsung SDI aporta en el área de la tecnología de iones de litio, ambas empresas invertirán en los próximos años entre 300 y 400 millones de dólares en esta empresa conjunta”, continuó diciendo Scheider.

Además, la empresa dispone ya de una amplia gama de componentes, entre ellos se encuentran motores eléctricos de alto rendimiento, los sistemas electrónicos necesarios y convertidores de tensión continua. Bosch persigue, en primera línea centrando sus objetivos, en el concepto del motor híbrido paralelo, que se puede adaptar a las distintas exigencias y necesidades de los fabricantes de automóviles y de sus modelos gracias al principio modular de sus componentes.

Bosch ya ha recibido los primeros pedidos para fabricación en serie, tanto para híbridos de gasolina como de diésel. Junto a los conceptos para los diferentes tipos de híbridos (fuertes y suaves), Bosch ofrece también procedimientos más sencillos para técnicas innovadoras como el Start/Stop o para la recuperación de la energía de los frenos a través del alternador. Estos conceptos son también una aportación importante para la reducción de las emisiones de CO₂. La unidad de proyecto “Híbridos” reúne a unos 370 expertos de varias Divisiones dentro del Grupo Bosch que trabajan en el desarrollo y en la comercialización de accionamientos híbridos y eléctricos. A ellos se les tienen que sumar otros 40 colaboradores que trabajan en el desarrollo y la comercialización de baterías de iones de litio.

La combinación de motores de combustión y de motores eléctricos en los híbridos o en los híbridos tipo plug-in es vista como una tecnología de transición por los ingenieros de Bosch. A pesar de ello, la complejidad técnica de esta solución es considerable debido al elevado peso tecnológico requerido. Un concepto con una perspectiva más a largo plazo es el llamado “Range Extender” en el que el motor de combustión se utilizará exclusivamente para cargar la batería y no para el accionamiento del vehículo en sí, con lo que se requerirá menos tecnología “duplicada” a bordo. Además, este concepto permitirá rodar con el motor eléctrico en distancias de medio alcance y, gracias al motor de combustión como suministrador de energía, superará unas distancias más largas.

El objetivo a largo plazo es el coche puramente eléctrico, puesto que de esa forma el vehículo no emitirá elementos contaminantes. La posibilidad de comercializar estos motores crecerá en la medida en la que los ingenieros sean capaces de mejorar la técnica de las baterías en lo que se refiere a su densidad energética y de potencia y en la que aumente la disposición de los conductores para aceptar unas distancias de entre 100 y 200 kilómetros hasta la próxima recarga.

A través de la combinación con un motor eléctrico se pueden reducir las emisiones de CO₂ con un híbrido de gasolina en un 25 % frente a motores de gasolina o con híbridos de diésel en un 20 % frente a motores de diésel convencionales. “Partimos de la base de que en 2015 de los 91 millones de turismos de nueva matriculación en todo el mundo, más del 3 % serán vehículos híbridos y eléctricos”, recalcó Scheider. Pero esta cifra podrá variar sustancialmente en función de las futuras disposiciones legales y de los avances en la tecnología de las baterías.

Estas cifras muestran con claridad que el motor de combustión seguirá siendo el accionamiento dominante durante los próximos 20 años. “Pero en el futuro las necesidades de movilidad individual de las personas determinarán el tipo de accionamiento respectivo”, prosiguió Scheider. Los vehículos eléctricos desplegarán sus posibilidades, especialmente en las grandes urbes. Las distancias de medio alcance serán las más adecuadas para los conceptos de ‘Range Extender’ mientras que para largas distancias seguirán predominando durante mucho tiempo los motores de gasolina y de diésel con sus prestaciones y su bajo consumo que les proporcionarán los desarrollos y las mejoras que se están produciendo de forma continua.

Iones de litio, la batería del futuro a 12.000 euros

Casi todos los fabricantes de automóviles y proveedores coinciden en que el acumulador de energía para los coches híbridos y eléctricos del futuro será de baterías de iones de litio. ¿Por qué? Al contrario de otras tecnologías, este tipo de baterías ofrecen las mejores perspectivas de desarrollo. “Las exigencias del sector del automóvil para esta tecnología son muy elevadas. Los ingenieros de SB LiMotive se van acercando rápidamente, paso a paso, a los objetivos de desarrollo”, comentó Joachim Fetzer, vicepresidente ejecutivo de SB LiMotive, una empresa conjunta creada por Bosch y Samsung SDI. Se prevé que para 2015 una batería de iones de 35 KW/h cueste unos 12.000 euros

BMW ha sido el primer fabricante de automóviles que ha decidido utilizar las celdas de batería de SB LiMotive en su proyecto Megacity Vehicle, un vehículo con accionamiento puramente eléctrico. Además, SB LiMotive suministrará las celdas de baterías para el vehículo eléctrico de BMW Concept ActiveE, con el que BMW creará una flota de pruebas para el año 2011. “Además, estamos negociando con un gran número de fabricantes de coches acerca del suministro de celdas y baterías para vehículos híbridos y eléctricos”, continuó Fetzer.

Reto a los costes de las baterías

El desarrollo y la mejora de la batería de iones de litio se ha concentrado, básicamente, en cinco puntos: costes, densidad energética y de potencia (autonomía), seguridad y vida útil. El grado de aceptación que los vehículos eléctricos tengan en el consumidor final dependerá, sobre todo, del precio final de venta. La batería es el componente más caro del vehículo eléctrico. SB LiMotive se ha fijado como objetivo conseguir para 2015 un precio de 350 euros por kW/h., con lo que una batería con una capacidad de 35 kW/h. costaría unos 12.000 euros.

Con el previsible aumento de la producción, se reducirán los costes en los años sucesivos. En este sentido, Fetzer destacó que, “Los costes de desarrollo por unidad para las baterías de iones de litio que pueda tener un fabricante con una capacidad de fabricación de entre 50.000 y 100.000 packs es, en comparación con los costes de un fabricante con una capacidad de 500.000 packs al año, de unos 500 euros superior”.

Criterio de éxito – Autonomía

Otro criterio para alcanzar el éxito es la autonomía de un vehículo eléctrico, un factor que depende en gran medida de la densidad energética de la celda de batería. El objetivo más inmediato es duplicar la densidad energética actual. De esta manera se podrían lograr recorridos de hasta 200 kilómetros de autonomía, tal y como demandan los consumidores. “En la mejora de la densidad energética y de la densidad de la potencia se optimizan, en primer lugar, los materiales de la química de las celdas”, dijo Fetzer.

Con la mejora de la densidad energética se pueden reducir también el peso y las dimensiones. Para un vehículo con un alcance de 100 a 150 kilómetros, la batería tendría hoy el tamaño del maletero de un coche del segmento compacto, por ejemplo, de un VW Golf. Para una capacidad de 35 kW/h., se trataría de un volumen de 350 litros y un peso de 350 kilogramos.

Temas clave, la vida útil y la seguridad

También es deseable que la batería dure tanto como el automóvil. Eso significa que una batería para un coche híbrido deberá aguantar más de un millón de ciclos de recarga, porque el híbrido cambia frecuentemente entre la descarga y la carga de recuperación. En el caso de baterías para coche eléctrico, SB LiMotive quiere lograr unos 1.500 a 2.000 ciclos de carga completa, lo que, con una alcance de 150 a 200 kilómetros, correspondería a un recorrido de, aproximadamente, 300.000 kilómetros de vida de la batería.

Con una vida útil de más de 10 años, la batería no sería un componente de servicio, puesto que en ese tiempo la capacidad disponible de la batería no caería por debajo del 80 % de la capacidad original. También la seguridad de la técnica de las baterías se debe adaptar a los elevados requisitos de la industria del automóvil. Aquí, los materiales con una elevada seguridad energética juegan un papel fundamental como, por ejemplo, un separador de interrupción (Shut Down Separator) que interrumpa el flujo de corriente cuando la temperatura alcance un valor inadmisible.

En el pack de la batería, la supervisión de las celdas es esencial: Tanto la corriente como la tensión y la temperatura o el estado de carga se registran y regulan continuamente a través del sistema de gestión de la batería. De esa manera se protege la batería contra una descarga demasiado fuerte o contra el sobrecalentamiento. Un sistema de gestión térmica muy complejo se encarga de que la batería trabaje siempre dentro de un ámbito de temperatura óptimo, con lo que se garantiza el funcionamiento seguro en todos los estados de servicio. Una temperatura de servicio constante de 35 a 40 °C permite que la batería mantenga su capacidad de servicio de forma permanente. Las temperaturas bajas provocan que se reduzca la potencia y las temperaturas más altas reducen la vida útil.

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