Batería de litio para coche eléctrico

Con el continuo aumento del precio del combustible, los vehículos eléctricos e híbridos atraen cada vez más atención. Pero más allá de su economía de uso, es esencial comprender el papel central de su batería de litio.

Pro Lithium echa un vistazo a estas tecnologías, discutiendo las ventajas e inconvenientes de la propulsión eléctrica. Analizaremos cómo afecta la batería al rendimiento, la autonomía y los costes a largo plazo, para ayudarte a elegir con conocimiento de causa cuando compres tu próximo vehículo.

Las prestaciones de un coche eléctrico, como laautonomía, laaceleración y el peso, dependen directamente de las características de su batería de litio. Por tanto, entender el tipo de batería es esencial para comprender las ventajas e inconvenientes de cada modelo.

Type batterie	Densité Energetique	Densité de puissance	Stabilité	Tolérance températures	Durée de vie	Coût	Moyenne
(Composant)	Kwh/Kg	Kw/Kg	Fiablité / Sécurité	Résistance Temp / Hum	Années	Kw	Performance
LiCoO2 - Dioxyde de Cobalt de Lithium	8/10	4/10	4/10	6/10	4/10	6/10	5.33/10
NMC - Lithium Nickel Cobalt Manganèse	8/10	6/10	6/10	6/10	6/10	6/10	6.33/10
LFP - Lithium Fer Phosphate LifePo4	4/10	8/10	8/10	8/10	8/10	8/10	7.33/10
NCA - Lithium oxyde d\'Aluminium Nickel Cobalt	8/10	6/10	4/10	6/10	6/10	4/10	5.66/10
LMO - Lithium ion oxyde de manganèse	6/10	6/10	6/10	4/10	4/10	6/10	5.33/10
LTO - Titanate de Lithium Li4Ti2O12	4/10	6/10	8/10	8/10	8/10	2/10	6/10

Type batterie

Densité Energetique

Densité de puissance

Stabilité

Tolérance températures

Durée de vie

Coût

Moyenne

(Composant)

Kwh/Kg

Kw/Kg

Fiablité / Sécurité

Résistance Temp / Hum

Années

Performance

LiCoO2 - Dioxyde de Cobalt de Lithium

8/10

4/10

6/10

4/10

6/10

5.33/10

NMC - Lithium Nickel Cobalt Manganèse

8/10

6/10

6.33/10

LFP - Lithium Fer Phosphate LifePo4

4/10

8/10

7.33/10

NCA - Lithium oxyde d\'Aluminium Nickel Cobalt

8/10

6/10

4/10

6/10

4/10

5.66/10

LMO - Lithium ion oxyde de manganèse

6/10

4/10

6/10

5.33/10

LTO - Titanate de Lithium Li4Ti2O12

4/10

6/10

8/10

2/10

6/10

Tipo de batería Litio (química)

Veamos ahora las principales tecnologías de baterías de iones de litio que hay en el mercado: NMC, LFP, LTO, NCA, LiCoO₂ y LMO.

Batería de iones de litio y de litio ¿¡las diferencias?

Ión-litio / Li-ion

Es habitual confundir los términos “batería de litio” y “batería de iones de litio”. Sin embargo, son dos tecnologías distintas:

Batería de iones de litio (Li-ion): Esta es la tecnología que hoy se encuentra en todas partes, en nuestros teléfonos, ordenadores portátiles y en la gran mayoría de los vehículos eléctricos. La palabra“ion” es esencial, porque es un ion de litio el que se mueve para generar energía.

Ión-litio y litio: ¿cuál es la diferencia?

Pila de metal de litio: Su ánodo está hecho directamente de metal de litio puro. Este metal actúa como electrodo, y los iones de litio ( $L i^{+}$ ) se mueven entre los electrodos durante el funcionamiento.

Pila de litio-cobalto (LiCoO₂)

La batería de litio-cobalto (LiCoO₂), también conocida como LCO o LICO, fue una de las primeras tecnologías de iones de litio que se comercializaron.

Está formado por un cátodo de óxido de cobalto y litio y un ánodo de grafito, cuyas capas superpuestas alojan los iones de litio. Aunque su coste de producción es relativamente bajo, hoy en día se utiliza menos en aplicaciones de alto rendimiento debido a su menor vida útil y a su escasa capacidad de carga rápida.

Por eso se utiliza principalmente en aparatos en los que su bajo coste es una ventaja, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles.

Unidad responsable

Una vez cargada la pila, los iones de litio han abandonado el cátodo. Entonces encontramos dióxido de cobalto ( $C o O_{2}$ ) en el cátodo (polo positivo) y el grafito de litio ( $L i C_{6}$ ) en el ánodo (polo negativo).

LiCoO2 (LCO/LICO) Dióxido de litio y cobalto

Célula descargada

Esta célula tiene una vida útil de unos 800 ciclos, con una tensión nominal de 3,6 V y una densidad energética de unos 200 Wh/kg.

Las baterías de litio-hierro-fosfato (LiFePO₄), conocidas comúnmente como LFP, son una tecnología de iones de litio que está ganando popularidad. Conocidas por sus bajos costes de producción, se utilizan cada vez más en vehículos eléctricos de fabricantes como Tesla y BYD, pero también en la industria y en sistemas estacionarios de almacenamiento de energía.

Beneficios

Seguridad y durabilidad: Tienen una excelente estabilidad térmica y no contienen cobalto ni níquel, lo que las hace más seguras.
Larga vida útil: Ofrecen una vida útil excepcional, con más de 5.000 ciclos de carga y descarga, lo que las hace extremadamente duraderas.
Coste: Su bajo coste de fabricación las convierte en una solución más económica.

Desventajas

Densidad energética: Su densidad energética es alrededor de un 15% inferior a la de otras químicas, lo que las hace más pesadas y voluminosas para una capacidad equivalente.
Rendimiento a bajas temperaturas: rinden menos a temperaturas de funcionamiento inferiores a 15 °C.

Unidad responsable

Una vezcargada la batería de LFP (fosfato de hierro y litio), la composición de los dos electrodos es la siguiente:

Polo positivo (cátodo): Está formado por fosfato de hierro ( $F e P O_{4}$ )iones de litio ( $L i^{+}$ ) habiéndola abandonado durante la carga.
Polo negativo (ánodo): Está formado por grafito de litio ( $L i C_{6}$ )El litio se introduce entre las capas de grafito.

Célula descargada

Las células LFP ofrecen una notable vida útil de más de 5.000 ciclos de carga y descarga.

Tienen una tensión nominal de 3,2 V y una densidad energética de unos 100 a 110 Wh/kg.

Además, pueden soportar temperaturas muy elevadas, con una estabilidad térmica de hasta 250°C.

Las baterías de litio del tipo NMC (Níquel Manganeso Cobalto ) son las más extendidas en el mercado europeo de vehículos eléctricos. Su popularidad se debe a su rendimiento y alta densidad energética.

Composición y funcionamiento

La particularidad de estas pilas reside en la composición de su cátodo (el electrodo positivo), que es una mezcla de óxidos de níquel, manganeso y cobalto. De esta mezcla deriva el nombre NMC.

Estas pilas funcionan según el principio de iones de litio: cuando se descargan, los iones de litio (Li+) viajan del ánodo al cátodo, generando una corriente eléctrica.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas: Las baterías NMC son famosas por su alta densidad energética, que les permite almacenar una gran cantidad de energía con un peso y volumen reducidos. También ofrecen un rendimiento excelente y una vida útil superior a la media.
Desventajas: Son más sensibles a las altas temperaturas, lo que puede hacerlas menos estables. Además, el uso de cobalto y níquel, cuya extracción es costosa y plantea problemas éticos, encarece estas pilas.

Unidad responsable

Una vez cargada la pila NMC, la composición de los dos electrodos es la siguiente:

Polo positivo (cátodo) : Se compone de una mezcla de níquel, manganeso y cobaltoiones de litio ( $L i^{+}$ ) habiéndola abandonado durante la carga.
Polo negativo (ánodo): Está formado por grafito de litio ( $L i C_{6}$ )El litio se introduce entre las capas de grafito.

Célula descargada

Las pilas NMC tienen una vida útil de 1.500 a 2.000 ciclos de carga/descarga. Tienen una tensión nominal de 3,6 V y una alta densidad energética de unos 200 Wh/kg.

Pilas de litio-manganeso (LMO)

Las pilas de litio-manganeso(LiMn₂O₄), más conocidas por las siglas LMO, son una tecnología de iones de litio reconocida por su seguridad y estabilidad.

Composición: Tienen un cátodo de dióxido de manganeso (polo positivo) y un ánodo de grafito (polo negativo).
Cómo funciona: Como todas las pilas de iones de litio, funciona moviendo los iones de litio a través de una membrana separadora para evitar un cortocircuito.

Características principales

Estabilidad térmica: las pilas LMO son muy estables y menos propensas al sobrecalentamiento, lo que las convierte en una opción muy segura.
Descarga rápida: Son capaces de suministrar corrientes elevadas, lo que las hace ideales para aplicaciones de alta potencia, como herramientas eléctricas o vehículos híbridos.
Desventajas: Su principal inconveniente es su menor densidad energética que las pilas NMC, así como una vida útil generalmente más corta.

Unidad responsable

Una vez cargada la pila de manganeso, la composición de los dos electrodos es la siguiente:

Polo positivo (cátodo): Está formado por dióxido de manganeso ( $M n_{2} O_{4}$ )los iones de litio que lo han abandonado durante la carga.
Polo negativo (ánodo): Está formado por grafito de litio ( $L i C_{6}$ )El litio se introduce entre las capas de grafito.

Célula descargada

La pila de litio-manganeso ( $L i M n_{2} O_{4}$ ) tiene una vida útil de unos 600 ciclos de carga y descarga. Tiene una tensión nominal de 3,6 V y una densidad energética de unos 140 Wh/kg. También tiene una gran estabilidad térmica, ya que soporta temperaturas de hasta 250 °C.

Pilas de litio del tipo NCA (Níquel Cobalto Aluminio), con la fórmula química $L i N i C o A l O_{2}$ son una tecnología de alto rendimiento, pero que presenta ciertos retos.

Ventajas e inconvenientes

Ventajas: La principal ventaja de las baterías NCA es su altísima densidad energética, superior a la de otras químicas. Esto significa que pueden almacenar una gran cantidad de energía con un peso reducido, lo que es ideal para los vehículos eléctricos que buscan la máxima autonomía.
Desventajas: Estas baterías son más caras debido a su composición y son más sensibles a las altas temperaturas. Requieren un sistema de gestión térmica de alto rendimiento para garantizar su seguridad y optimizar su vida útil.

Unidad responsable

Una vez cargada la pila NCA, la composición de los dos electrodos es la siguiente:

Polo positivo (cátodo) : Está compuesto por un óxido de níquel, cobalto y aluminioiones de litio ( $L i^{+}$ ) habiéndola abandonado durante la carga.
Polo negativo (ánodo): Está formado por grafito de litio ( $L i C_{6}$ )El litio se introduce entre las capas de grafito.

Célula descargada

La batería NCA ofrece una densidad de energía muy alta, de hasta 280 Wh/kg, para una tensión nominal de 3,6 V. Tiene una vida útil de unos 500 ciclos de carga/descarga. Sin embargo, su sensibilidad térmica requiere una gestión cuidadosa, ya que no puede soportar temperaturas superiores a 150°C.

Pilas LTO (Titanato de Litio)

La batería LTO ( $L i_{4} T i_{5} O_{12}$ ) es una tecnología única que utiliza titanato de litio en lugar de grafito para su ánodo (electrodo negativo).

Ventajas e inconvenientes

Mayor seguridad: La ausencia de grafito hace que la batería sea extremadamente segura, reduciendo considerablemente el riesgo de incendio o explosión por sobrecalentamiento.
Vida útil y ciclos: las baterías LTO destacan por su excepcional vida útil, capaz de soportar varios miles de ciclos de carga y descarga.
Carga ultrarrápida : Su diseño permite velocidades de carga y descarga extremadamente altas, lo que las hace ideales para aplicaciones que requieren recarga en pocos minutos.
Desventajas: El principal inconveniente de las baterías LTO es su baja densidad energética, que las hace más pesadas y voluminosas que otras baterías de capacidad equivalente. También son más caras de producir.

Las pilas LTO (Titanato de Litio) se caracterizan por su excepcional vida útil. Esto se debe a que no se forma ninguna capa SEI (Solid Electrolyte Interphase) en su ánodo de titanato.

En las baterías de iones de litio convencionales, se forma una capa SEI que se va engrosando en el ánodo de grafito a lo largo de los ciclos. Este proceso consume gradualmente el litio, lo que provoca una reducción de la capacidad y la degradación de la batería.

En cambio, el ánodo de las baterías LTO es estable y no está sujeto a este fenómeno, lo que preserva la capacidad de la batería durante un gran número de ciclos.

Las pilas de iones de litio pueden estar compuestas de distintos materiales, que modifican sus características. El uso de cátodos NMC o LFP (MVO) es un buen ejemplo, ya que estas químicas pueden utilizarse para variar considerablemente la densidad energética, la vida útil y la seguridad de las pilas.

Pilas LMP (Polímero Metálico de Litio)

Las pilas de litio metal polímero (LMP) se distinguen por el uso de un electrolito polimérico en forma de gel o material sólido, en lugar de un electrolito líquido.

Ventajas: El electrolito polimérico ofrece mayor resistencia a los golpes y las vibraciones, lo que las hace más seguras en determinadas condiciones.
Desventajas: Sin embargo, esta tecnología está limitada por un menor número de ciclos de carga y descarga, alrededor de 300 ciclos. Además, las baterías LMP suelen necesitar operar a altas temperaturas para funcionar correctamente.

Uno de los principales inconvenientes de las pilas LMP es su elevada temperatura de funcionamiento, que debe mantenerse entre 60°C y 80°C para garantizar un funcionamiento y una vida útil correctos.

Esta limitación representaba un gran reto para la industria del automóvil. Por eso esta tecnología fue rápidamente abandonada por proyectos como el servicio de coche compartido Autolib’, que exigía que los vehículos permanecieran constantemente enchufados para mantener la temperatura de sus baterías.