Las baterías de los coches se beneficiaron inicialmente de las innovaciones llegadas del campo de la electrónica de consumo, pero ahora se han invertido los papeles y son el motor de desarrollo. En ambos mundos se persigue aumentar la capacidad y velocidad de carga, con el menor tamaño y peso posibles.
Pero, ¿las baterías de un coche y de un smartphone solo se distinguen por su tamaño y número de celdas, o hay más diferencias entre ellas? ¿Podríamos alimentar un coche eléctrico a partir de muchas baterías de teléfono móvil? Para resolver estas dudas contamos con el asesoramiento experto del Doctor Álvaro Caballero, profesor titular del Departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química e investigador del Instituto Universitario en Química Fina y Nanoquímica de la Universidad de Córdoba, uno de los referentes nacionales en la investigación y desarrollo de baterías.
Una tecnología similar
“En general, las diferencias entre ambas provienen de la necesidad de energía tan distinta que requiere mover un coche eléctrico a hacer funcionar un móvil. Pero la tecnología de la batería es la misma en ambos casos: la celda recargable Li-ion, basada en un ánodo de grafito y un cátodo principalmente formado por un óxido que contiene litio, cobalto, manganeso y níquel”, explica Álvaro Caballero.
La tecnología de iones de litio fue descubierta en los años ’80 del pasado siglo por el químico estadounidense John B. Goodenough. En 2019, la Academia Sueca le concedió el Premio Nobel por esta innovación, destacando que “las estas baterías han revolucionado nuestras vidas desde que ingresaron al mercado en 1991. Han sentado las bases de una sociedad inalámbrica, libre de combustibles fósiles, y son de gran beneficio para la humanidad”.
Diferente tipo de celdas
Una batería es un dispositivo electroquímico que almacena energía en su interior partir de una reacción química y es capaz de liberarla en forma de electricidad. La batería de un móvil y de un coche incorporan el número de celdas necesario para alcanzar la energía requerida en cada caso.
Aunque el funcionamiento es similar, el diseño de las celdas es muy diferente por cuestiones de espacio. En la batería de un teléfono móvil se emplean celdas prismáticas de configuración plana, que permiten ser tan finas como una tarjeta de crédito y un empaquetado en forma rectangular. Eso sí, emplean una gestión térmica menos sofisticada y tienen un ciclo de vida más corto. En un Kia e-Niro se emplean 294 celdas de polímero de litio de tipo pouch o embolsadas, que hacen un uso más eficiente del espacio (con una eficiencia de embalaje del 90-95%) y tienen un ciclo de vida más elevado.
Adaptadas a su medio
Al ser el componente de mayor tamaño, la batería determina el diseño de un smartphone y de un coche. En ambas, la forma exterior del paquete es rectangular y plana, para adaptarse a la forma de un teléfono o al espacio disponible en el piso del vehículo entre ambos ejes.
Su tamaño y peso viene determinado por un compromiso entre capacidad, peso y las necesidades medias de los usuarios. Tras varias décadas de evolución, el compromiso alcanzado en la telefonía móvil es que un teléfono disponga de energía para funcionar en un uso normal, al menos, un día entero; con un tamaño y peso que beneficien el diseño y la usabilidad del dispositivo.
El compromiso alcanzado en un automóvil es ofrecer una autonomía razonable dentro el tamaño de un coche convencional. La desventaja frente a los teléfonos es que el tamaño de un coche está más estandarizado: los primeros teléfonos móviles tenían un enorme tamaño por sus grandes baterías, solución que no se puede trasladar a un automóvil. Por eso las primeras generaciones de coches eléctricos disponían de una autonomía muy limitada. Pero la evolución ha sido muy rápida, como demuestra la gama de eléctricos de Kia, que ofrecen unas autonomías muy elevadas: hasta 452 km en el Kia E- Soul; hasta 455 km en el e-Niro (ambos, con la batería de 64 kWh), y hasta 510 kilómetros el EV6 2WD con batería de 77,4 kWh (WLTP).
Con todos estos condicionantes, la batería de un smartphone solo tiene unos 3 milímetros de grosor y un peso pluma de 80 gramos; mientras que la de un Kia e-Niro pesa 445 kilos, en su versión más potente. Este paquete de baterías tiene la siguiente topología o forma de agrupar las celdas: ocupan la parte inferior del vehículo, con tres módulos de celdas debajo de los asientos delanteros y otros dos módulos de celdas coincidiendo con los asientos traseros.
La composición y densidad energética de sus celdas interiores es similar (250 Wh/kg en el coche y 246 Wh/kg en el móvil), no así la densidad de todo el paquete (143 Wh/kg en el coche y 185 Wh/kg en el móvil). ¿El motivo? Que la batería de un coche dispone de un blindaje muy superior por motivos de seguridad, y de un sistema de refrigeración, que suman peso al conjunto.
El voltaje
Otro aspecto diferenciador es el voltaje al que funcionan. El voltaje es la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito necesaria para que la corriente circule entre ellos. A más voltaje, más trabajo se puede realizar con la corriente que circula entre los electrodos de la batería y más energía total tendremos en ella. Utilizando un equivalente hidráulico, el voltaje sería la presión del agua.
El voltaje de una batería se adecúa al voltaje de funcionamiento del circuito electrónico que se va a alimentar, creando una arquitectura conjunta de todo el sistema. En el caso de un smartphone, las baterías suelen tener un voltaje entre 3,7 V y 3,85 V. En un Kia e-Niro, el voltaje es de 356 V, cifra que aumenta hasta los 800 V en el nuevo Kia EV6.
Ese voltaje de 356 V se genera de la siguiente forma. Las celdas están conectadas de tres en tres en paralelo. Cada paquete de tres celdas se conecta entre sí en serie, formando una ristra de 98 paquetes de 3 celdas. Como cada paquete de tres celdas tiene una tensión nominal aproximada de 3,6 voltios y hay 98 de ellos conectados en serie, la tensión nominal de la batería es de 356 voltios.
Potencia de carga
El voltaje es una de las dos variables que determina la potencia de carga de una batería. Aumentando el voltaje se consigue reducir el tiempo de una recarga sin producir mucho calor ni emplear cableados muy gruesos. Gracias a ello, un Kia e-Niro puede recargar el 80% de su capacidad con un cargador de 100 kW en 42 minutos, cifra que se reduce a 18 minutos en un Kia EV6 con un cargador de 350 kW. En ese tiempo, la batería del e-Niro es capaz de acumular 51,2 kWh, mientras que la de un smartphone sólo tiene la capacidad de recargar 11,84 Wh, es decir, 0,01184 kWh.
La importancia de la refrigeración
Como explica el Doctor Álvaro Caballero, “integrar todas estas baterías en paquetes es un proceso complicado, tanto para el sistema de gestión del sistema eléctrico, como para la refrigeración, dado que hay que mantener las baterías a una temperatura óptima de funcionamiento y especialmente cuando se carga el vehículo, algo crucial cuando cargamos en cargadores ultrarrápidos”.
En un smartphone no hay espacio físico para un sistema de refrigeración, que también es menos necesario por su menor potencia de carga. Las baterías de un Kia e-Niro cuentan con un sistema de refrigeración que las permite mantenerse en una temperatura óptima, lo que aumenta su capacidad, rendimiento y duración. Los módulos de batería están emplazados sobre placas de enfriamiento que canalizan una mezcla de agua y glicol a través de canalizaciones. Gracias a este sistema, las celdas pueden estar más próximas entre sí, lo que aumenta hasta en un 35 por ciento la densidad energética de la batería y permite aumentar la autonomía del vehículo.
¿Un coche eléctrico con baterías de teléfono móvil?
Tras todas estas explicaciones, queda claro que si quisiéramos hacer un coche eléctrico con las prestaciones del Kia e-Niro a partir de baterías convencionales de teléfonos móviles de 4.000 mAh y 3,6 voltios, tendríamos que agrupar nada menos que ¡4.444 baterías! Además, para conseguir el voltaje de 356 V del e-Niro, habría que emplear la topología 45p98s, es decir, agrupar 45 baterías en paralelo y 98 de esos paquetes, en serie. Y, muy importante, habría que instalarlas en un compartimento blindado y dotarlas de un eficaz sistema de refrigeración (que permitiera las cargas rápidas y un óptimo funcionamiento a cualquier temperatura exterior)