Por que a carga rápida é a morte das baterías

Queren cambiar o aceite, pero aínda teñen un fallo fatal sobre o que os fabricantes gardan silencio.

A Idade do Carbón hai tempo que se recorda. A era do petróleo tamén chega ao seu fin. Na terceira década do século XNUMX vivimos claramente na era das baterías.

O SEU PAPEL SEMPRE foi significativo desde que a electricidade entrou na vida humana. Pero agora tres tendencias fixeron de súpeto o almacenamento de enerxía na tecnoloxía máis importante do planeta.

A primeira tendencia é o boom dos dispositivos móbiles: teléfonos intelixentes, tabletas, portátiles.Adoitabamos necesitar baterías para cousas como lanternas, radios móbiles e dispositivos portátiles, todos cun uso relativamente limitado. Hoxe todo o mundo ten polo menos un dispositivo móbil persoal, que usa case constantemente e sen o cal a súa vida é impensable.

A SEGUNDA TENDENCIA é o uso de fontes de enerxía renovables e a súbita discrepancia entre os picos de produción e consumo de electricidade. Antes era doado: cando os propietarios acenden fogóns e televisores pola noite, e o consumo aumenta moito, os operadores das centrais térmicas e das centrais nucleares simplemente teñen que aumentar a potencia. Pero coa xeración solar e eólica isto é imposible: o pico de produción prodúcese con máis frecuencia nun momento no que o consumo está no seu nivel máis baixo. Polo tanto, a enerxía debe almacenarse dalgún xeito. Unha opción é a chamada "sociedade do hidróxeno", na que a electricidade se converte en hidróxeno e despois alimenta o combustible á rede e aos vehículos eléctricos. Pero o custo extraordinariamente alto da infraestrutura necesaria e os malos recordos do hidróxeno da humanidade (Hindenburg e outros) deixan este concepto en segundo plano polo momento.

As chamadas "redes intelixentes" parecen na mente dos departamentos de mercadotecnia: os coches eléctricos reciben exceso de enerxía na produción máxima e, de ser necesario, poden devolvela á rede. Non obstante, as baterías modernas aínda non están preparadas para ese desafío.

OUTRA RESPOSTA POSIBLE a este problema promete unha terceira tendencia: a substitución dos motores de combustión interna por vehículos eléctricos con batería (BEV). Un dos principais argumentos a favor destes vehículos eléctricos é que poden ser participantes activos na rede e aproveitar o excedente para devolvelos cando sexa necesario.

Todos os fabricantes de vehículos eléctricos, desde Tesla ata Volkswagen, utilizan esta idea nos seus materiais de relacións públicas. Non obstante, ningún deles admite o que é dolorosamente claro para os enxeñeiros: as baterías modernas non son adecuadas para este traballo.

A TECNOLOXÍA ​​LITIO-IÓN que domina o mercado hoxe en día e entrega desde a túa pulseira de fitness ata a máis rápida Tesla Model S ten moitas vantaxes sobre conceptos máis antigos como o ácido de chumbo ou as baterías de hidruro de níquel e metal. Pero tamén ten algunhas limitacións e, sobre todo, unha tendencia ao envellecemento ..

A maioría da xente pensa nas baterías como unha especie de tubo no que dalgún xeito "flúe" a electricidade. Na práctica, con todo, as baterías non almacenan electricidade por si soas. Úsano para desencadear certas reaccións químicas. Despois poden comezar a reacción contraria e recuperar a carga.

Para as baterías de ión-litio, a reacción coa liberación de electricidade ten este aspecto: os ións de litio fórmanse no ánodo da batería. Trátase de átomos de litio, cada un dos cales perdeu un electrón. Os ións móvense a través do electrólito líquido ata o cátodo. E os electróns liberados canalízanse a través dun circuíto eléctrico, proporcionando a enerxía que necesitamos. Cando a batería está acendida para cargarse, o proceso invértese e os iones recóllense xunto cos electróns perdidos.

O "crecemento excesivo" con compostos de litio pode provocar un curtocircuíto e acender a batería.

Desafortunadamente, con todo, a ALTA REACTIVIDADE que fai que o litio sexa tan axeitado para fabricar baterías ten un inconveniente: tende a participar noutras reaccións químicas indesexables. Polo tanto, unha fina capa de compostos de litio fórmase gradualmente no ánodo, o que interfire coas reaccións. E así a capacidade da batería diminúe. Canto máis intensamente se carga e descarga, máis grosa se fai este revestimento. Ás veces mesmo pode liberar as chamadas "dendritas" -pensemos en estalactitas de compostos de litio- que se estenden desde o ánodo ata o cátodo e, se chegan a el, poden provocar un curtocircuíto e acender a batería.

Cada ciclo de carga e descarga acurta a vida útil da batería de ión-litio. Pero a carga rápida de moda recentemente cunha corrente trifásica acelera significativamente o proceso. Para os teléfonos intelixentes, isto non é unha gran barreira para os fabricantes, en todo caso, queren obrigar aos usuarios a cambiar os seus dispositivos cada dous ou tres anos.Pero os coches son un problema.

Para convencer aos consumidores de que compre vehículos eléctricos, os fabricantes tamén deben atraelos con opcións de carga rápida. Pero as estacións rápidas como Ionity non son adecuadas para o uso cotián.

O CUSTO DA BATERÍA É OUTRO TERCIO e aínda máis que o prezo total do coche eléctrico actual. Para convencer aos seus clientes de que non están a mercar unha bomba, todos os fabricantes ofrecen unha garantía de batería máis longa e separada. Ao mesmo tempo, confían nunha carga máis rápida para que os seus coches sexan atractivos para viaxes de longa distancia. Ata hai pouco, as estacións de carga máis rápidas funcionaban a 50 quilovatios. Pero o novo Mercedes EQC pódese cargar ata 110 kW, o Audi e-tron ata 150 kW, como ofrecen as estacións de carga europeas Ionity, e Tesla prepárase para subir aínda máis o listón.

Estes fabricantes non tardan en admitir que a carga rápida destruirá as baterías. Estacións como Ionity son máis axeitadas para emerxencias cando unha persoa percorreu un longo camiño e ten pouco tempo. Se non, cargar lentamente a batería na casa é un enfoque intelixente.

A súa carga e descarga tamén é importante para a súa vida útil. Polo tanto, a maioría dos fabricantes non recomendan cargar por riba do 80% ou por debaixo do 20%. Con este enfoque, unha batería de ión-litio perde de media aproximadamente o 2 por cento da súa capacidade ao ano. Así, pode durar 10 anos, ou ata uns 200 km, antes de que a súa potencia caia tanto que quede inutilizable nun coche.

Por último, por suposto, a VIDA DA BATERÍA depende da súa composición química única. É diferente para cada fabricante e, en moitos casos, é tan novo que nin se sabe como vai envellecer co paso do tempo. Varios fabricantes xa prometen unha nova xeración de baterías cunha vida útil de "un millón de millas" (1.6 millóns de quilómetros). Segundo Elon Musk, Tesla está a traballar nun deles. A empresa chinesa CATL, que subministra produtos a BMW e a media ducia de empresas, comprometeuse a que a súa próxima batería durará 16 anos, ou sexa, 2 millóns de quilómetros. General Motors e a coreana LG Chem tamén están a desenvolver un proxecto similar. Cada unha destas empresas ten as súas propias solucións tecnolóxicas que queren probar na vida real. GM, por exemplo, empregará materiais innovadores para evitar que a humidade entre nas celas da batería, que é a principal causa de escalado de litio no cátodo. A tecnoloxía CATL engade aluminio ao ánodo níquel-cobalto-manganeso. Isto non só reduce a necesidade de cobalto, que actualmente é a máis cara destas materias primas, senón que tamén aumenta a duración da batería. Polo menos iso é o que esperan os enxeñeiros chineses. Os clientes potenciais comprácense de saber se unha idea funciona na práctica.