Post: Apuntes sobre Baterías para vehículos eléctricos 1 y 2: Fundamentos y Baterias de Litio

[Mr Mindundi]

AMT ya ha publicado 2 excelentes artículos sobre el coche eléctrico, de la segunda serie de 4 del camarada Beampost .
El tema de ambos es sobre las baterías, fundamentos y usos en el coche eléctrico.
Un trabajo minucioso a nivel divulgativo, que agrega al blog de Turiel un análisis necesario y que colabora a seguir haciendo del blog una base de datos invaluable sobre el tema energético.
Se advierte por parte de Beampost un gran conocimiento del tema y un trabajo dedicado en la escritura.
Mis felicitaciones y agradecimiento.

http://crashoil.blogspot.com/2014/06/apuntes-sobre-baterias-para-vehiculos_2.html

http://crashoil.blogspot.com/2014/06/apuntes-de-baterias-para-vehiculos.html

[Dario Ruarte]

Gran desarrollo Beamspot !!

El tema de las baterías y acumuladores es uno de los puntos claves para el futuro.

Tengo una duda. En el párrafo que dice:

El proceso de carga, en realidad, podría superar los 4,2V bajo condiciones ideales, pero por temas de seguridad y de dependencia de la temperatura (una vez más), la carga se puede efectuar entre 1 y 2C hasta que la tensión alcanza los 4,2V, momento en que la carga suele estar entre el 60 y 75% de su capacidad nacional. A partir de ese momento, la corriente se debe limitar para no superar esta tensión, con lo que la velocidad de carga se ralentiza.

Se me ocurre que ese "nacional" que aparece allí debería decir "nocional". Me equivoco ?

[Beamspot]

En realidad, debería decir NOMINAL.

[Alb]

Beamspot

Enhorabuena, has escrito un excelente articulo sobre las baterías.
Este articulo  muestra la enorme complejidad que tienen la baterías, lo que demuestra que los coches eléctricos tienen un gran futuro.

Cuando se intenta desarrollar un nuevo producto o tecnologia hay que tener presente la siguiente máxima:

"Si fuera fácil.... ya estaría hecho"

Si tienes una idea de algo, que parece muy simple y no encuentras que tenga ningún inconveniente.... puedes descartarla con total tranquilidad ya que seguramente sea inviable.

Si las baterías de los coches fuesen sencillas y no presentase inconvenientes... ya estarían hechas.  Ya tendríamos diseños óptimos y no cabria esperar mejoras importantes.

Pero afortunadamente existen muchas complicaciones, no esta todo hecho hay muchos problemas por solucionar, lo significa que existen muchos puntos en los que las baterías pueden mejorar.

Por ejemplo:
Los cambios de volumen relacionados de los electrodos reducen la vida útil, de las baterías actuales... Se pueden buscar materiales y estructuras que no sufran con el cambio de volumen.


"el problema más grueso que siempre se omite cuando se habla de coche eléctrico: la vida útil de las baterías."
No es cierto. Cuando se habla de coche electricos, la vida de las baterias es es segundo tema que mas preocupan y de los que mas se habla. El primer tema es la autonomia.

Si hechas un vistazo a forococheselectricos.com veras que hay cientos de articulos dedicados a la vida de las baterías.

http://forococheselectricos.com/?s=vida

[Beamspot]

Quien suele omitir el detalle o la afirmación sobre la vida de las baterías suelen ser los fabricantes, y aunque es muy bueno el hecho que en el foro que pones hablen de la vida de las baterías (leí algunos de los artículos y están bastante bien), no es precisamente lo más común.

Casi todos los medios de masas (omito cierto adjetivo), apenas hacen referencia a este tema.

También discrepo con el comentario en alguno de estos foros en castellano donde dicen que las baterías de litio no tienen metales caros. Creo que en su momento seré capaz de analizar este detalle. Detalle, con el que, por cierto, creo que coincides (se llama cobre, aunque hay otra sorpresa, no presente en las baterías de los coches). Y el reciclado lo hacen sobre estos materiales, especialmente el cobre. El litio, dada la escasa cantidad y su precio, NO lo reciclan.

Respecto de la complejidad de las baterías, que sí que la tienen, el tema lo retomaré en otros artículos.

Ah, y la vida, por experiencia propia, comprobada en laboratorio por mi persona, además de la particular de casa, es que menos del 20% de baterías de litio van a durar más de 6 años en cualquier parte del mundo, sobre todo cuando se usen las de electrodos finos como las de Tesla. Esa es una de las razones por las que los fabricantes 'más reputados' (BMW, Audi, Mercedes), no tienen claro el cambiar y continúan con baterías hechas a medida para ellos, aunque sean más caras al ser de mayor potencia, puesto que son más robustas, o 'industriales'.

[Beamspot]

Por cierto, se me olvidaba: en las baterías de litio, hay otros elementos que NO se reciclan, y que también aportan costes. Lo comento en el último bloque de entradas, donde analizo los recursos.

[Alb]

Es muy raro encontrar en las informaciones de los fabricantes, informacion sobre la vida util de los equipos... ya sea un coche o una lavadora...
No veo que en los coches térmicos se detalle la vida útil del motor diésel o del alternador.
La única informacion que podemos encontrar sobre la vida útil, esta en la garantía que ofrece el fabricante.
Si para una lavadora nos dan una garantía de 3 años... podemos suponer que la mayor parte de sus lavadoras aguantan ese tiempo.

Debido al enorme interese de los compradores de coches eléctricos, las vida de las baterías es de los pocos objetos de los que si se dan información.

Por ejemplo, el amplio articulo sobre el envejecimiento del nissan leaf que mencionas en tu articulo.
BYD, Da una vida para la bateria de su modelo E6 de 4000 ciclos carga/descarga y publica artículos periódicamente con la experiencia de las flotas de taxis electricos.

Si no hay demasiada información, es simplemente porque todavia no se ha acumulado experiencia suficiente.
 

[Alb]

"Esto nos deja con 355$ de cobre, 85$ de aluminio puro, y 112,86$ de carbonato de litio. Si hay que bajar precios, es evidente dónde meter la tijera, aunque el cableado interno va a ser difícil de reducir."

En total, 553$ en metales para una batería de 16,2kwh... esto nos da 34$/kwh

El precio de las baterias para coches electricos es superior a los 500$/kwh y se pretende reducirlo a la mitad.


El coste de los metales  represente un 5 o 6% del coste total de la bateria. No creo que sea donde hay que meter la tijera.
Donde hay potencial para reducir es en los procesos de fabricación. Las baterías no son caras por los materiales, sino porque se fabrican muy pocas.
Pasa lo mismo que los paneles fotovoltaicos y las curvas de experiencia. Cuando en lugar de miles de baterías se fabriquen millones los costes de fabricación se reducirán a la tercera parte.

[Alb]

No me extraña que la baterías de ion litio de los coches eléctricos no se reciclen.
Se venden muy pocos coches desde hace muy poco tiempo.
Así que deben ser muy pocas, yo diría que unos pocos cientos, las baterías de ion litio fuera de uso.

Dentro de un par de decadas, cuando sean mucho mas los coches electricos y comience a haber baterias fuera de uso, entonce se empezaran a reciclarlas.

De hecho ya hay compañias que han empezado a reciclar el litio de las baterias de ion litio de los moviles.
http://www.motorpasionfuturo.com/coches-electricos/en-menos-de-seis-meses-se-abrira-la-primera-planta-de-reciclaje-de-baterias-de-iones-de-litio-de-espana

[chamaeleo]

Toda esta información me la voy recopilando y devorando con ganas. Ojalá hubiera tenido acceso a estos artículos hace unos años. Muchas de las cosas que expones las tuve que aprender por necesidad a patadas, dando palos de ciego, sin un guía que me aclarase las dudas, y muchos conceptos los aprendí de forma caótica y desordenada. Estos artículos me están ayudando bastante a reorganizar la patulea de datos que tengo, y a encontrarle más coherencia a muchas dudas que se me quedaron por el camino.

No puedo resistirme a hablar de un proyecto que estuvimos desarrollando entre los años 2004-2007. Las baterías de litio de mayores prestaciones que encontramos en el mercado eran unas celdas de 250Wh/kg (con una potencia baja, lo que compensábamos sumando más capacidad), que al unificarlas en un bloque, daban en conjunto ligeramente por encima de los 200Wh/kg. Si queríamos una potencia más "estándar" la cosa normalmente quedaba por debajo de 120Wh/kg. También miramos volantes de inercia y ultracondensadores, pero no salía a convenir para nuestro caso, tipo moto ligera, tratábamos que el peso rondara los 100kg.

Nos informamos de unas experimentales (litio-azufre) que llegaban a 300Wh/kg, pero admitían muy poca potencia, y su vida útil era muy baja (30 ciclos de recarga), por aquel entonces estaban muy verdes, no sé en qué estado andarán ahora. Por eso me ha llamado mucho la atención la existencia de celdas de 500Wh/kg, algo que a priori me parecía inalcanzable, al menos hace 4 ó 5 años.

Si que me consta que baterías primarias (de las que no se puede recargar, son de usar y reciclar-tirar) pueden superar los 700Wh/kg, pero esas no las veo aplicables en la automoción. Además de que serían un despilfarro a menos que se idee un método de reciclado eficiente (no se si tal cosa existe o es posible).

También jugaba con la tabla periódica, y básicamente lo que hacía era juntar un elemento de la izquierda (metales alcalinos, hidrógeno, litio, sodio, etc..) con uno de la derecha (sin contar los gases nobles), lo más electronegativo posible. La reacción química que presentaba mayor densidad energética por peso era juntando litio puro con flúor puro, y estaba muy cerca del lítio (puro) con oxígeno (puro mono-atómico). Pero eso sólo a nivel teórico, esos elementos son tan reactivos que nunca se encuentran puros; lo más cercano, el oxígeno di-atómico.

Como apunte, la mayor parte de las baterías que consultamos contenían un promedio de 75 gramos de litio elemental por cada KWh de almacenamiento.

[Beamspot]

Yo me he pegado, en dos etapas y de maneras distintas, más de 2 años con las baterías, una parte de NiMH, otra de LiPol, y otra de electrónica y fabricación de los vehículos híbridos y eléctricos desde el departamento de I+D siempre. Tampoco había artículos de estos antes. La web de Battery University me fue muy instructiva, pero las experiencias de laboratorio van hacia derroteros peores que los que informo, aunque me tengo que atener al secreto profesional. Así que sólo informo de lo que está comprobables en internet, con un sesgo habitual hacia las buenas noticias (nadie lava sus trapos sucios en público), y además con retraso.

De todas maneras, no es tanto el problema con las baterías y su potencia, si no su precio y su vida útil. Y en ello pinta muy mucho la situación de las empresas de la automoción, con deudas hasta las cejas y pronóstico reservado - negativo.

Según la estequiometría, necesitas mínimo unos 91 gramos de litio puro por KWh: son los gramos necesarios para almacenar los electrones que contiene, con la tensión nominal, esta energía. Debido a eficiencias, márgenes de seguridad y demás, en realidad la cantidad de litio que contienen las baterías está en los 150 - 200 gramos mínimo, y esforzándose en bajarlo, aunque la atención está centrada en otras partes.

[Beamspot]

Me sorprendes, Alb.

¿No tienes ordenador portátil, ni tableta ni smartphone?

Baterías de litio se fabrican por decenas de millones al año. Ciertamente pocas para coches o vehículos eléctricos, pero las tecnologías son similares, por no decir las mismas. Además, ya he dicho que Tesla usa precisamente baterías de las que se fabrican en decenas de millones por el tema costes.

Hace ya bastantes años que la ley de los retornos decrecientes se manifiesta con fuerza en las baterías de litio, y eso no va a cambiar. Las rebajas de coste están disminuyendo su ritmo, y buena parte es debido a que la bajada de demanda de cobre y aluminio ha bajado el coste de los mismo, así como el consumo energético, no debido a importantes mejoras, que cada vez son menos.

Fabricar las baterías de coches no es mucho más sofisticado, y aunque el proceso es todavía mejorable, los márgenes de cada vez son menores. Piensa que en realidad, el proceso es sencillo, pero repetitivo (muchas celdas iguales), con lo que es fácil de automatizar, y eso implica que sólo la economía de escala en el producto final es lo que permitirá más bajadas. De ahí el interés en la megafactoría de Tesla. Punto. No hay más donde rascar. Está cerca del límite, y no es tan grande el margen. Hay que vender muchas muchas baterías para que realmente empiece a notarse la bajada de precio. Y aún hay que aumentar la capacidad. No basta. No bastará.

Ciertamente, en las baterías pequeñas, el coste de los metales es bajo, pero en los coches con baterías de gran potencia, es más del 10%. Y hay otros materiales que no son metálicos y que dan cuenta de más del 10% también. Recuerda que la batería del Ampera pesa 180Kg, y yo he tirado corto al estimar 50 de cobre y 50 de aluminio. Pinta que estamos más en 90 de cobre, y 70 de aluminio.

Pero una parte aún más importante, es el coste de financiación, que es donde se ahoga a los fabricantes. Las plantas de fabricación, como ya se verá en el siguiente bloque, son muy caras, y eso implica unos costes de financiación. Costes que precisamente son los responsables de la importancia de la economía de escala. Hay mucha innovación, y eso se paga. Hay muchas cosas nuevas, que han costado un dinero, y que hay que amortizar. A la larga, esto es lo que acabará con los fabricantes. A fecha de 2014, están vendiendo a pérdidas, sobre todo en lo que respecta a las baterías, más que a los motores, inverters y cargadores, que también. Sin embargo, sobre todo estos dos últimos, aún tienen mucho márgen de reducción. Exactamente esto ha sido parte de mi trabajo.

En comparación, los motores térmicos están mas que amortizados, y no tienen ningún gasto financiero ya. No tienen mucho que rascar, pero tampoco tienen nada que perder, y el punto en el que están ha dejado claro que son mucho más competitivos. Evidentemente la situación va a cambiar, y eso es lo que intento explicar en el último bloque, que estoy reescribiendo. Pero va a empeorar PARA TODOS. Incluso más para unos que para otros.

Para rematar, parte de estos precios vienen de un sitio donde no siguen las reglas del juego: China.

No, no hay tanto recorrido para las baterías, no. ¿Que vamos a hacer, meter Cromo para aumentar la capacidad específica?¿Grafeno?¿Materiales tecnológicos más caros que los que hay ahora? No.

Ten en cuenta que el reciclado de metales se basa en el caro Cromo (mira la terecera entrada sobre baterías, que ya está publicada), el cobre, y quizás el aluminio. El litio apenas interesa. De momento, en eso coincido contigo, pero para cuando se haga, ¿cuanto litio se habrá utilizado ya que no se podrá reciclar? Las baterías, ahora, son sólo el 25% del uso del litio, y el resto no se recicla. No se puede reciclar.

[Alb]

Me sorprendes, Alb.

¿No tienes ordenador portátil, ni tableta ni smartphone?

Baterías de litio se fabrican por decenas de millones al año. Ciertamente pocas para coches o vehículos eléctricos, pero las tecnologías son similares, por no decir las mismas. Además, ya he dicho que Tesla usa precisamente baterías de las que se fabrican en decenas de millones por el tema costes.

Precisamente por eso.  Como son tecnologias similares, podemos analizar como han evoluciona las baterias de los moviles para poder estimar la evolucion futura de las baterias de los coches.



Como puedes ver en estas curvas las baterías de los móviles han bajo de precio a medida que ha aumentado su producción.
La produccion de las baterías de los coches apenas ha comenzado en en el año 2010 y con unas cantidades muy pequeñas por lo que tiene unos precios elevados.
Pero los precios se están reduciendo drásticamente a medida que ha ido aumentado la produccion.
La caída de precios es mucho mas abrupta en los coches que en los móviles.

Se están fabrican decenas de millones de baterías de litio al año.... y esas son muy pocas.
La fabrica que planea abrir Tesla y Panasonic  producirá miles de millones de baterías.

Como pasa con los paneles fotovoltaicos, el efecto del aumento de experiencia, es 1 o 2 ordenes de magnitud mayor que el efecto de la ley de rendimientos decrecientes.

Así que los precios de las baterías y de los coches eléctricos seguirán bajando. Tienen mucho recorrido para reducir costes.

[chamaeleo]

Beampost, los datos los consulté de unas fichas. En ellas había un apartado que ponía "lithium equivalent content", en donde al relacionar con los Wh me salía la relación que antes comentaba.

http://www.saftbatteries.com/force_download/MP_176065.pdf

http://www.saftbatteries.com/force_download/LS33600C.pdf

El primer caso es de una batería recargable, y el segundo de una primaria no recargable.

En todos los modelos que consultamos, la relación no variaba gran cosa (+/-5%). No obstante, debo decir que saft era el único proveedor que daba ese dato, y tal vez lo más correcto sería comparar con los datos de varios fabricantes (dato que no es fácil obtener con ese detalle). Incluso es posible que lo haya entendido mal, y que el apartado "lithium equivalent content" no se refiera expresamente a la cantidad total de litio, sino más bien a un concepto ideal que utilizan a modo de especificación. Eso explicaría también por qué es tan escasa la variación de la relación gr/KWh en baterías tan distintas.

Si bien la cantidad de litio no es el eslabón más débil para este tipo de baterías, si sería bueno tener en cuenta de cual serían los valores esperables. Conociendo las reservas de litio disponibles, podemos estimar con cierto realismo hasta dónde puede llegar. Para llegar a una conclusión cuantitativa, me refiero; porque a nivel cualitativo, no creo que cambie mucho la cosa, sean 200 gr/KWh, o 75gr/KWh, dudo mucho que pueda aspirar a hacerle sombra a las prestaciones que se logran con petróleo.

[Beamspot]

Ciertamente, el precio de las baterías de los coches está bajando. Y le queda recorrido todavía, como bien explico en esta serie de datos.

Sin embargo, dado que estas baterías se van a montar a partir de celdas parecidas a las de los móviles, siempre estarán, a precio de costes reales (otra cosa es que luego a los minoristas nos cobren más), por encima de las celdas.

Y lo que yo veo en la imagen es la clara línea asintótica en el precio de dichas baterías para los móviles. Cuando los rendimientos decrecientes hacen su efecto, el precio tiende a estabilizarse hacia una asíntota que no es tal. Tienden a ser un valor más o menos fijo resultante de la suma de los costes de los materiales, es decir, que fluctua su precio al son de los precios de las materias primas y de la energía. Lo cual explicaría perfectamente el bajón del 2005. Sin embargo, la serie de 2000 a 2005 demuestra, a mi entender, lo que la indústria de las baterías y la electrónica me hizo saber por muchas vías: los márgenes ya están decreciendo a marchas forzadas.

Y la economía de escala para estos casos, difícilmente va a hacer que por multiplicar por 100 la producción, el precio baje 100 veces. Tal y como está la cosa, difícilmente bajará de los 200 - 250$ el KWh.

Pero es que el problema real está también en la escala. Para producir a esta escala, hay que vender a esta escala. Y no se venden, ni se venderán nunca, tantos coches como teléfonos móviles, ni tabletas ni nada por el estilo, con lo que va a ser difícil que se consiga. Y lo que es peor, la inversión y los gastos financieros, que NO SE VEN REFLEJADOS en estos precios, se disparan, especialmente si no se venden.

Te aseguro por experiencia propia, que los precios que dan de venta de las baterías de los coches no son ciertos. Como mucho, dan los de producción, sin contar ni amortizaciones ni intereses, ni gastos financieros, ni gastos de márqueting. Está muy maquillado. Los fabricantes están (estamos, que yo trabajo para uno) perdiendo hasta la camisa.

Precisamente el hecho de que estas inversiones y gastos financieros están más que amortizados con los 'grandes componentes' de los coches térmicos (y buena parte de los eléctricos que son comunes, como el chasis), es lo que ha permitido bajar tanto los precios de estos, pero este margen NO EXISTE en los eléctricos ni en los híbridos con grandes baterías. El sector electrónico del automóvil, que es el que se mete en las baterías, tiene unos problemas de infraestructura, costes, inversiones, almacenes, maquinaria y derivados un orden de magnitud o dos por encima de lo que suelen manejar para la electrónica 'estándar', y hay poco que rascar. El riesgo es inmenso, y todo apunta a que más de una gran empresa del sector se va (nos vamos) a hundir bajo el peso de la deuda.

[Beamspot]

Chamaleo, el tema del 'Litio equivalente' es un asunto legal al respecto de la cantidad de litio que se puede embarcar en un avión. Debido a una presunta reactividad del mismo con el aluminio de las estructuras internas de los mismos, está limitado el litio que se puede poner.

La manera de calcular la cantidad de Litio Equivalente es algo más bien legal, y están obligados a poner el dato todos aquellos que pretenden usar o enviar dichas baterías en o por transporte aéreo. Es un asunto de seguridad en el transporte aéreo.

Como algo parecido, en España tenemos la figura del 'CV fiscal' o 'Caballo Vapor Fiscal', que se calcula según unas fórmulas que no tienen nada que ver con la potencia real de los motores (más bien con el cubicaje), y que sirve de base para calcular los impuestos de circulación.

En el caso del contenido equivalente de litio, seguramente el cálculo será más directo respecto del contenido total de litio, pero igual tiene unos coeficientes reductores por cualquier estimación tecnico-legal-seguridad.

Siento no poder decirte más, pues esta es toda la información con la que estuve trabajando, pues los fabricantes de las LiPol que usábamos (chinos todos) nos tuvieron que dar este valor para poder ponerlo nosotros en nuestras declaraciones de seguridad, ya que nos lo pedían.

En la Wiki en inglés hacen el cálculo en KWh por Kg de litio (la inversa), y sale algo más que la gasolina, pero el problema ya hemos comentado que no es el litio sólo. http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery

[Armando Gascón Lozano]

Estos artículos de Beamspot sobre las baterías y los anteriores y el del Hidrógeno son buenísimos.
La discusión también
Uno aprende mucho

Para guardar de referencia

[Alb]

"Y la economía de escala para estos casos, difícilmente va a hacer que por multiplicar por 100 la producción, el precio baje 100 veces. Tal y como está la cosa, difícilmente bajará de los 200 - 250$ el KWh."

La curva de experiencia no dice que si la produccion se multiplica por 100 el precio se reduce en 100, sino que el precio se reducirá a la tercera o cuarta parte...El objetivo de los fabricantes son eso 200-250$/kwh.
Con ese precio los coches eléctricos pueden competir con los de gasolina.

La Gigafactory de Tesla prevee bajar el coste por debajo de los 200$/Kwh.


"Pero es que el problema real está también en la escala. Para producir a esta escala, hay que vender a esta escala. Y no se venden, ni se venderán nunca, tantos coches como teléfonos móviles, ni tabletas ni nada por el estilo, con lo que va a ser difícil que se consiga. "

Asi que no se van a vender porque son caros... y son caros porque no se van a vender.
Los primeros ordenadores también eran muy caros y no se iban a vender porque eran muy caros.

Pero se va  reduciendo el precio a medida que se van implantando.
Las ventas de coches electricos estan creciendo de manera exponencial... no se de donde sacas que no se van a vender.

[Beamspot]

Todo lo que dices forma parte del análisis. Paciencia, que es la madre de la ciencia.

Como puedes ver, algunas razones hay para extenderme haciendo tantas entradas. Ahora no parece que te disguste tanta extensión. Y eso, a mí, me alegra.

[chamaeleo]

Hola Beampost, gracias por tu respuestas y por tu paciencia.

Beamspot escribió

(...) En el caso del contenido equivalente de litio, seguramente el cálculo será más directo respecto del contenido total de litio, pero igual tiene unos coeficientes reductores por cualquier estimación tecnico-legal-seguridad.
Siento no poder decirte más (...)

¡No pidas disculpas! La respuesta que me has dado es clara y más que suficiente para resolver la duda de concepto que tenía.

La cantidad de información que aportas (bueno, que aporta el blog en general) es enorme, y aprendo mucho deborando estos posts; pero con el tiempo justito que dispongo, no puedo degustar estos artículos como quisiera. Un saludo.

[Dario Ruarte]

Qué suerte que no hicimos caso de los malintencionados que querían expulsar a Beamspot del Foro ... vean toda la información valiosa que nos está proveyendo !


PD = Gran esfuerzo amigo, felicitaciones !