Uno de los componentes del vehículo moderno que ha experimentado un cambio dramático en las últimas dos décadas es la batería automotriz. En Clore, a menudo decimos que la batería del vehículo ha cambiado más en los últimos 12 años que en los 60 años anteriores. Con eso en mente, pensamos que este era un buen momento para mirar hacia atrás en la historia de la batería automotriz, así como para buscar opiniones de expertos sobre hacia dónde se dirigen las baterías en los próximos 20 años.
Orígenes Antiguos?
Algunos científicos creen que se ha encontrado evidencia que apoya la teoría de que un dispositivo similar a una batería fue utilizado por los antiguos partos, que gobernaron el área de lo que hoy es Bagdad en el año 200 a.C. Durante la excavación de líneas de ferrocarril en la década de 1930 en Bagdad, los trabajadores encontraron tarros de arcilla de 13 cm de largo que, tras una inspección detallada, parecían parecerse a baterías. Estaban completos con un terminal positivo (una varilla de hierro) y un terminal negativo (un cilindro de cobre) y se cree que se utilizó una solución similar al vinagre como electrolito que permitió la reacción química necesaria para el funcionamiento de la batería. No todos los expertos están de acuerdo en que estos dispositivos de barro eran, de hecho, baterías, ni hay consenso sobre para qué se habrían utilizado. Dicho esto, las réplicas modernas han demostrado la capacidad de generar entre 0,8 V-2,0 V con cada bote. Por lo tanto, las baterías pueden haber comenzado hace más de 2000 años.
Avance rápido a la Primera Batería de plomo
Aunque se dieron pequeños pasos en el progreso de la batería a principios de 1700, el siguiente momento importante en la evolución de la batería llegó con Alessandro Volta, quien en 1800 hizo varios descubrimientos clave que estimularon el progreso en el desarrollo de la batería. Primero, identificó que ciertos líquidos generaban un flujo continuo de energía eléctrica cuando se usaban como conductores. También descubrió que diferentes metales adquieren y liberan electrones a diferentes velocidades (potencial de voltaje). Finalmente, descubrió que podía aumentar el voltaje total apilando sus celdas una encima de la otra.
Estos y otros descubrimientos impulsaron nuevas invenciones, que culminaron en el diseño de la primera batería de producción en masa por William Cruickshank en 1802. Cruickshank colocó placas de zinc y cobre en una caja de madera sellada y las sumergió en un electrolito de salmuera. Sus baterías y otras evolucionaron a lo largo de los años siguientes, pero todas compartían un dilema común: todas eran baterías de un solo uso, incapaces de recargarse.
En 1859, un físico francés llamado Gaston Planté resolvió el dilema de un solo uso desarrollando la primera batería de plomo-ácido, generalmente el mismo concepto utilizado para la mayoría de las baterías de arranque de vehículos actuales. El diseño de Planté utiliza un ánodo (electrodo negativo) hecho de plomo y un cátodo (electrodo positivo) hecho de dióxido de plomo. La suya fue la primera batería en usar un solo electrolito para ambos electrodos. Pero su gran avance fue el hecho de que su diseño permitió recargar la batería invirtiendo la reacción química natural. Si bien su diseño tenía algunas deficiencias, como su corta duración de suministro de energía, marcó un paso importante en la evolución de la batería y es el precursor claro de las baterías automotrices de hoy en día. En 1881, Camille Alphonse Faure, ingeniero químico francés, mejoró el concepto de Planté creando una mejor estructura para la batería. A diferencia del diseño espiral de Planté, Faure desarrolló una rejilla de plomo en la que se prensaba una pasta de óxido de plomo, formando una placa. Este diseño permitió combinar varias placas para obtener un gran potencial de potencia y fue mucho más fácil de producir en masa.
Un componente esencial en el Diseño de vehículos
Aunque se lograron avances significativos en el diseño de baterías desde los diseños originales de Planté en 1859 hasta el cambio de siglo, las baterías de plomo-ácido no se utilizaron en los primeros sistemas de vehículos. Esto se debió a que la mayoría de esos vehículos no tenían demanda eléctrica mientras estaban en funcionamiento y comenzaron a usar algún tipo de proceso mecánico, como un sistema de manivela. En consecuencia, no había necesidad urgente de almacenar capacidad eléctrica en esos vehículos.
El arrancador eléctrico fue el desarrollo que cambió el panorama e impulsó la necesidad de almacenar capacidad eléctrica en el vehículo. El primer vehículo equipado con un arrancador eléctrico en los Estados Unidos fue el Cadillac de 1912. El auto arranque fue desarrollado por Henry M. Leland y Charles Kettering en Cadillac, posteriormente adquiridos por General Motors. Leland empujó a Kettering a diseñar una alternativa a los sistemas de arranque de manivela después de que otro ingeniero de Cadillac fuera golpeado en la cabeza y muerto por una manivela de arranque cuando su motor se disparó por la culata.
En la adolescencia, había muchos mecanismos de arranque empleados por los automóviles, pero, en 1920, la mayoría de los vehículos nuevos estaban equipados con arrancadores eléctricos. Este cambio aumentó rápidamente la necesidad de una fuente de alimentación confiable dentro de la arquitectura del vehículo, haciendo de la batería de plomo un componente esencial de la industria automotriz. En 1918, la Hudson Motor Car Company fue la primera en utilizar un tamaño de batería estándar según las especificaciones del BCI (Consejo Internacional de Baterías). Los tamaños de grupo de baterías BCI se siguen utilizando hoy en día (Grupo 24, Grupo 27, etc.).
Durante este período y en la década de 1950, las baterías de arranque de vehículos y los sistemas eléctricos eran sistemas de 6 V. Un cambio importante ocurrió en la década de 1950, ya que los automóviles más grandes y los motores más grandes requerían la mayor potencia proporcionada por las baterías y los sistemas de 12V. Sugerimos que este fue el último cambio importante en el diseño del sistema de baterías/vehículos antes de finales del siglo XX.
dicho esto, hubo avances durante este período. Un paso importante para la comodidad del propietario del vehículo fue la introducción en 1971 de la Batería Libertad Delco-Remy, la primera batería de plomo ácido sin mantenimiento utilizada en una aplicación automotriz. La década de 1970 también vio la aparición de baterías VRLA AGM, aunque estas se limitaron en gran medida a aplicaciones especiales hasta los últimos años.
La Era Moderna: Baterías AGM
Como puede verse por la evolución paralela de la tecnología de baterías y el diseño del vehículo, los desarrollos en una a menudo impulsan la necesidad de tener la oportunidad de cambiar en la otra. La era moderna no es diferente. A medida que la demanda eléctrica de los vehículos aumentaba en las décadas de 1990 y 2000, impulsada tanto por el aumento de las comodidades en la cabina como por un sistema eléctrico en constante crecimiento, estaba claro que la batería de plomo ácido tradicional estaba alcanzando su límite en términos de satisfacer las necesidades del sistema. Esto impulsó la necesidad de nuevas construcciones y nuevas químicas.
Una respuesta importante a las cambiantes necesidades de energía de los vehículos de hoy en día ha sido la adopción de baterías AGM. Las baterías AGM (Tapete de vidrio absorbido) comenzaron a usarse en aplicaciones militares a mediados de la década de 1980. Estas baterías de plomo Ácido Reguladas por válvula (VRLA) aportan muchos beneficios al diseño del sistema del vehículo. En primer lugar, suelen tener una resistencia interna mucho menor que las baterías inundadas tradicionales, lo que significa que se calentarán menos en el ciclo típico de carga/descarga, lo que mejora la longevidad. Además, las baterías AGM pueden descargarse más profundamente que las baterías inundadas tradicionales. Este es un beneficio crítico, ya que el aumento de las demandas eléctricas de los vehículos modernos significa que la batería debe cumplir con las cargas máximas cuando la salida del alternador está al máximo. Por último, las baterías AGM, debido a su construcción, son más resistentes a las vibraciones que las baterías inundadas tradicionales y, debido a que están selladas y no derraman, se pueden almacenar y operar en cualquier orientación.
Una evolución importante de los sistemas que está impulsando la popularidad de las baterías AGM es la adopción de sistemas de motor de arranque y parada, que apagan el motor cuando el vehículo se detiene por completo e inmediatamente lo arranca cuando el pie del conductor se quita del freno. Estos sistemas, que permiten a los fabricantes mejorar la eficiencia del combustible, generalmente se implementan utilizando una o más baterías AGM. Las baterías que se encuentran en estos sistemas pueden ser baterías AGM estándar, baterías especiales de arranque y parada AGM o una combinación de ambas. Se espera que otros tipos de baterías se incorporen a estos sistemas en los próximos años, pero actualmente, las baterías AGM son la construcción dominante que se utiliza.
Litio, Híbridos y vehículos eléctricos
Varios fabricantes de equipos originales han comenzado a incorporar baterías de litio en diseños tradicionales como baterías de arranque (Porsche es un buen ejemplo), así como componentes dentro de los sistemas de arranque y parada. Los productos químicos de baterías de litio son muy densos en energía, proporcionan grandes cantidades de energía (potencia de arranque o potencia de reserva) en un paquete pequeño y liviano. La química de litio de la batería de arranque dominante es LiFePO4 (fosfato de hierro y litio). Esta química ofrece una alta densidad de potencia sin la volatilidad de otras sustancias químicas de litio, por lo que es una batería de reemplazo adecuada para muchas aplicaciones o vehículos donde se instalan baterías de plomo-ácido.
El desarrollo de híbridos, híbridos enchufables y vehículos eléctricos creó una demanda de energía de batería mucho mayor, pero el peso de las soluciones de plomo-ácido las hizo poco prácticas para estas aplicaciones. Para cumplir con el desafío de potencia/peso, los primeros híbridos utilizaron principalmente baterías NiMH (níquel-hidruro metálico) para resolver este problema. Como ejemplo, el Toyota Prius de 2010 incorporó un paquete de baterías NiMH de 1,31 kWh.
La misma necesidad de aumentar la potencia sin peso añadido que impulsó el cambio de ácido de plomo a NiMH también causó un cambio de paquetes de baterías de iones de litio a NiMH. Además, las baterías de iones de litio pueden descargarse más profundamente que las baterías NiMH, lo que significa que se puede usar una mayor parte de la batería durante cada ciclo de descarga; en términos tradicionales, esto es como poder conducir su automóvil a gas hasta que alcance ¼ de tanque frente a ½ tanque antes de necesitar recargar. Usando el Prius como ejemplo, el Prius 2016 utiliza un 207V, .Paquete de baterías de iones de litio de 75 kWh con un peso de solo 54 libras. en comparación con el antiguo paquete de baterías NiMH de 202 V y 1,31 kWh con un peso de 89 libras.
Los híbridos enchufables y los Vehículos Eléctricos (EV) aumentan exponencialmente el requisito de potencia, haciendo del Li-ion la química preferida para los modelos actuales. Pero, con el aumento de la potencia suministrada por estos paquetes de baterías, se produce un aumento proporcional de peso, incluso con construcciones de iones de litio. El paquete de baterías de iones de litio de 4,4 kWh en los modelos enchufables Prius anteriores a 2016 pesaba 180 libras, los vehículos eléctricos necesitan exponencialmente más capacidad de batería, con lo que viene un peso adicional. El paquete de baterías de iones de litio Nissan Leaf de 24 kWh pesa 480 libras (con módulo de control), mientras que el paquete de baterías de iones de litio de 85 kWh que se encuentra en el Tesla Model S tiene aproximadamente 1200 libras.
Es razonable esperar que las baterías de iones de litio pronto alcancen su límite en términos de suministro de energía dentro de un rango de peso razonable. Muchas nuevas industrias químicas de baterías, así como tecnologías competidoras como las pilas de combustible de hidrógeno, compiten por convertirse en la próxima fuente de energía preferida para los vehículos eléctricos. Como hemos visto en los últimos 15 años, las cambiantes necesidades del sistema y el impulso constante para mejorar el rendimiento crean oportunidades para nuevas tecnologías. Debido a que el cambio de tarifas está aumentando, puede sorprendernos en 2030 ver qué está alimentando a los vehículos de pasajeros.