Este equipo de redactores ha pasado horas buscando la respuesta a tus preguntas, te ofrecemos la solución de modo que esperamos servirte de mucha ayuda.
Solución:
Entonces, la respuesta obvia primero:
¿Por qué las baterías todavía pesan 20 kg?
Porque siguen siendo las mismas baterías de plomo-ácido. Simple como eso. Ninguna otra tecnología se acercó al bajo costo por amperio (y amperio-hora) de esas, ni a la confiabilidad ni a la facilidad de manejo. 20 kg no son tan pesados, si considera que la “economía de combustible” todavía significa que su automóvil nuevo promedio lleva alrededor de docenas de kilogramos de funcionalidad de “comodidad” y pesa alrededor de 1 Mg solo para las partes metálicas.
45 años después, las baterías de los automóviles siguen teniendo el mismo aspecto y pesan lo mismo.
45? Más como 120 años … pero sí. Todavía construimos puentes de acero, nuestro concreto ha mejorado, pero aún es esencialmente concreto, usamos asfalto para carreteras, el cobre sigue siendo nuestro conductor favorito, la tecnología de amplificación más común en todo lo que no es básicamente de baja frecuencia es un amplificador de clase A / B basado en transistor bipolar, y nuestros refrigeradores todavía no se basan en medios más eficientes de transporte de calor, sino en comprimir fluidos más o menos peligrosos.
Entonces, ahora después de la respuesta a su pregunta literal a su pregunta real, que lamentablemente no preguntaste
La tecnología de las baterías se ha movido hasta ahora en los últimos 100 años. La batería de arranque de plomo-ácido se volvió común en los automóviles en 1920, el plomo es esencialmente veneno y el ácido sulfúrico / plomo no es menos peligroso. Suelen fallar en temperaturas frías, especialmente si no se les mantiene con regularidad, y aunque obviamente son muy baratos de producir, todo el manejo de ellos, incluidos los requisitos legales para recuperar las baterías viejas, debe ser una pesadilla.
¿Por qué la industria no ha trazado una línea y ha cambiado a cosas como LiIon o las buenas baterías de NiCd o NiMH, ahora que los autos eléctricos han demostrado que puede conducir de manera confiable durante años basándose en ellas?
Las baterías de NiCd son simplemente peores en todos los aspectos excepto en la densidad de energía que el ácido de plomo. El NiMH es mejor, pero mucho más caro, y todavía tiene una tasa de descarga más alta, por lo general (a menos que los haga aún más caros). Y todavía es bastante difícil desecharlo correctamente.
Las baterías de litio no son tan fáciles de manejar. Debe protegerlos contra todo tipo de fallas, y algunas de ellas son bastante fatales: no sobrecaliente su batería de litio. Explotará. Y el calor es un problema serio dentro del compartimiento del motor (para ser justos, una batería no tengo estar ahí, pero es bastante útil).
La razón principal realmente es el costo. La batería de mi último automóvil, un Fiat Punto 1999, suministró un máximo de 100 A (cuando intenté estimar la corriente de cortocircuito real, alrededor de 43 A, pero todavía mucha. Digamos P = U · I = 12V · 40A = 480W ) de corriente y tenía una capacidad nominal de alrededor de 30 Ah (que es una energía de 12V · 30Ah = 360Wh). Me costó 25 €. Entonces, una estimación aproximada, es más barato que 10 € de producir.
Entonces, tomemos un tipo de batería de litio que se produce en masa y, por lo tanto, es barata. Las celdas redondas que se encuentran comúnmente que componen muchos paquetes de baterías de computadoras portátiles cuestan alrededor de 3 € cada una (digamos 1 € en producción) por alrededor de 3Ah (11.1Wh), suministrando hasta 5A (como máximo, no lo haga por mucho tiempo) en algunos 3.7 V. Eso dice que una sola celda de estas puede suministrar 18.5W. Entonces, para alcanzar los 480W estimados de la batería de mi automóvil barata, necesitaría 26 de ellos. Costarían 26 € en producción, sin contar los euros que gasta en circuitos de control, carga y protección, en encerrarlos en algo rígido y seguro, y el hecho de que los minerales necesarios para producir algunos de los componentes de metales raros en el litio. Las baterías no se están volviendo más baratas actualmente, y equipar a los automóviles de todo el mundo con ellas definitivamente acelerará ese mecanismo de mercado.
Supongamos escalas de costos con capacidad. Mi batería de litio de 26 celdas tiene 26 · 11,1 Wh = 288,6 Wh de energía. Así que necesitamos escalar eso en 1.25 para lograr los mismos 360Wh que la batería de plomo-ácido.
Una celda de este tipo pesa alrededor de 90 g. Por tanto, el peso de las células es 26 · 90 g = 2,34 kg. Ok, no tengo el peso exacto de la batería de mi auto barato en mi cabeza, pero digamos que era de 15 kg. Así que ahorramos peso en un factor de aproximadamente 6.3, si nuestra carcasa y los componentes electrónicos son livianos (no lo son, por lo que puedo decir, necesitará una fuente de alimentación de modo de conmutación considerable para poder cargarlos de manera eficiente usando el generador de su automóvil, y estos consisten principalmente en una bobina de cobre bastante voluminosa, y tal vez un núcleo de ferrita que tampoco es exactamente liviano).
Eso conduce a un factor de costo de aproximadamente 3,5 entre el componente A y la alternativa del componente B, con desventajas de manejo, menor confiabilidad y cambios en la cadena de suministro. No es de extrañar que la industria del automóvil no esté presionando en esa dirección. (Y, por cierto, tienen un cabildeo excelente).
Las baterías más recientes son mucho más livianas y cuestan menos durante la vida útil del vehículo que las de antaño. Pero no utilizan la química LA (plomo-ácido).
Una batería de LiFePO4 (ferrofosfato de litio) hará lo que se requiere a un costo de vida útil aceptable, PERO a un costo de capital inicial más alto, lo que la hace poco atractiva para los fabricantes de automóviles.
El bajo costo de capital inicial parece ser la razón principal para preferir el plomo-ácido al LiFeO4 y no es obvio que haya otras razones realmente buenas.
El ciclo de vida es mucho mayor que el del plomo ácido, lo que permite que el costo total de la vida sea menor que el del plomo ácido.
A diferencia de LiIon (iones de litio), un “pico en el corazón” no causará los problemas que tiene un LiIon.
El control de carga es “bastante fácil”.
Comparado con plomo-ácido:
La profundidad de descarga permitida y las tasas de carga máximas aceptables son más altas,
El rango de temperatura es mejor
La eficiencia de recarga es mejor.
El rendimiento de la autodescarga es mejor.
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Iones de litio / LiIon:
Vale la pena comentar sobre las baterías de LiIon, ya que a menudo reciben “mala prensa” con respecto a la seguridad.
En comparación con la química de plomo-ácido, LiIon ofrecen densidades de masa y energía sustancialmente mejores (más livianas y más pequeñas), un ciclo de vida algo más largo, un costo de capital más alto y probablemente un costo de vida completo algo superior. Si se gestiona adecuadamente, el control de la carga es más fácil. Los rangos de temperatura son mejores, la eficiencia de carga / descarga es algo superior. Las desventajas relacionadas con la seguridad no son en gran medida un problema; consulte a continuación.
En muchas aplicaciones, las baterías de LiIon son los batería de su elección: desde Dreamliners hasta teléfonos Samsung, pasando por “Hoverboards”, Mars Rovers, computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, reproductores MP3 y más. Las tres primeras aplicaciones anteriores fueron seleccionadas por sus conocidas fallas espectaculares. Pero cualquier cosa que se utilice en un Mars Rover se elige por su idoneidad en un entorno hostil y de larga duración, no debe fallar en la tarea. Y hay cientos de millones de baterías de LiIon de uso diario en los bolsillos de las personas, en los hogares, en los automóviles y más.
Dadas las formas en que las baterías de LiIon PUEDEN fallar, las cifras que SÍ fallan de manera espectacular son muy raras. Las fallas que se informan ampliamente se deben con bastante frecuencia a alguna falla sistémica que afecta un lote o modelo de batería que se ha producido y distribuido en grandes cantidades O un volumen menor en aplicaciones de alto perfil. En tales casos, una falla o deficiencia de diseño o fabricación causa o permite fallas cuyas consecuencias se ven exacerbadas por los comportamientos implacables de la química LiIon.
Algunos ejemplos son los eventos de “ventilación con llamas” bien publicitados en algunos portátiles Apple anteriores, teléfonos Samsung, “hoverboards” autoequilibrados y similares. En el primero, dos ejemplos, por lo general, los fabricantes competentes permitieron que existiera un defecto de diseño sin corregir y / o inadvertido o recortado en la fabricación en la medida en que los márgenes de seguridad los alcanzaran. En el caso de los “hoverboards”, la causa es desconocida para mí, pero es tan probable que sea una fabricación de bajo costo de baja calidad y un control de carga deficiente como cualquier otra cosa. En los equipos de consumo, las fallas de las baterías de LiIon a menudo son el resultado de un cortocircuito que ocurre en una celda debido a espacios libres inadecuados y la consiguiente sensibilidad al impacto o al golpear el extremo más alejado de las variaciones estadísticas de tolerancia de fabricación. Estos son errores de diseño y fabricación que pueden evitarse a costa de $ extra, algo que a los fabricantes de grandes volúmenes les encantaría evitar.
En el caso de las fallas de la batería del Boeing Dreamliner, no he visto un informe final de la causa raíz, PERO mientras ocurrieron una serie de fallas bien publicitadas (y tal vez algunas no publicadas) en un volumen de producto muy pequeño, las consecuencias fueron sorprendentemente bien contenidas. .
Un examen detallado de las fallas de LiIon y los modos y consecuencias muestra que casi invariablemente no son tan violentos como sugiere el ‘mito’ popular y que, si bien la liberación de energía es sustancial, la contención es relativamente fácil en términos de ingeniería. La contención agrega peso, volumen y costo y es poco probable que se encuentre en computadoras portátiles o dispositivos portátiles o de bolsillo. Se encuentra en Dreamliners y podría usarse fácilmente en aplicaciones automotrices de una sola batería (es decir, no EV) mientras mantiene el peso y el volumen aún muy por debajo de los niveles de plomo-ácido y con un costo adicional modesto. En las aplicaciones de vehículos eléctricos, los problemas parecen haberse resuelto o acomodado “lo suficientemente bien”. No tengo experiencia en áreas regulatorias de seguridad vehicular, pero estoy seguro de que las regulaciones que nos brindan espectaculares imágenes de accidentes y permiten la captura de combustibles de petróleo de alta volatilidad en vehículos de pasajeros también abordan los problemas de seguridad relacionados con las fuentes de energía de LiIon. No he oído hablar de un auto ‘Tesla’ que se haya inmolado por falla de la batería, aunque puede haber sucedido, e imagino que Musk y compañía creen que tienen esta área de riesgo “adecuadamente bajo control”.
Nunca he visto, algo para mi decepción, un evento de ventilación de LiIon con llamas y no conozco personalmente a nadie que lo haya hecho. Las ocurrencias son lo suficientemente comunes como para ocasionalmente ser noticia en Nueva Zelanda (la población de Nueva Zelanda es inferior a los 5 millones).
LiIon versus LiFePO4:
Comparado con LiFePO4, LiIon La química ofrece densidades de masa y energía algo mejores (algo más ligeras y pequeñas), sustancialmente MÁS BAJO ciclo de vida, un costo de capital ligeramente menor (por capacidad de energía) y un costo total de vida sustancialmente inferior. El control de carga es aproximadamente el mismo, pero los LiFePO4 son significativamente más difíciles de dañar en casos marginales. Los rangos de temperatura no son tan buenos, la eficiencia de carga / descarga es aproximadamente la misma. Los LiFePO4 están mucho menos sujetos a problemas de seguridad.
En áreas donde el tamaño y el peso más pequeños y el costo de capital más bajo son importantes (con el uso de vehículos eléctricos como un buen ejemplo), LiIon es superior a LiFePO4.
En Casi todas las demás áreas y aplicaciones, LiFePO4 son mejores o mucho mejores que LiIon y las consideraría la tecnología de batería actual de elección para almacenamiento de energía de alta energía, larga vida útil y alto conteo de ciclos.
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