El próximo miércoles 24 de noviembre, en la última mesa redonda de Driving into the Future se discutirá cómo será el futuro de la producción canadiense de baterías. Ya sea que sea optimista (si realmente cree que todos los automóviles serán eléctricos para 2035) o crea que no alcanzaremos ese ambicioso objetivo, los automóviles impulsados ​​por baterías son una parte importante de nuestro futuro. Si Canadá quiere ser parte de esta revolución eléctrica, debemos encontrar una manera de convertirnos en el fabricante líder de sistemas de energía para automóviles en el futuro. Para ver cómo será el futuro, mire la última mesa redonda sobre fabricación de baterías en Canadá este miércoles a las 11:00 a. m., hora del este.
Olvídate de las baterías de estado sólido. Lo mismo ocurre con todo el revuelo sobre los ánodos de silicio. Incluso la tan cacareada batería de aluminio-aire que no se puede cargar en casa no puede sacudir el mundo de los vehículos eléctricos.
¿Qué es una batería estructural? Bueno, esta es una buena pregunta. Afortunadamente para mí, que no quiero fingir que no tengo conocimientos de ingeniería, la respuesta es sencilla. Los coches eléctricos actuales funcionan con baterías instaladas en el coche. Oh, hemos encontrado una nueva forma de ocultar su calidad, que consiste en incorporar todas estas baterías de iones de litio en el piso del chasis, creando una plataforma de “patineta” que ahora es sinónimo de diseño de vehículos eléctricos. Pero todavía están separados del coche. Un complemento, por así decirlo.
Las baterías estructurales subvierten este paradigma al hacer que todo el chasis esté hecho de celdas de batería. En un futuro que parece de ensueño, no sólo el suelo portante albergará, en lugar de contener, baterías, sino también determinadas partes de la carrocería: pilares A, techos e incluso, como ha demostrado una institución de investigación, es posible. Sala presurizada con filtro de aire, no sólo equipada con baterías, sino que en realidad está constituida por baterías. En palabras del gran Marshall McLuhan, un coche es una batería.
Bueno, aunque las baterías modernas de iones de litio parecen de alta tecnología, son pesadas. La densidad energética de los iones de litio es mucho menor que la de la gasolina, por lo que para lograr la misma autonomía que los vehículos de combustibles fósiles, las baterías de los vehículos eléctricos modernos son muy grandes. Muy grande.
Más importante aún, son pesados. Como pesado en “carga ancha”. La fórmula básica que se utiliza actualmente para calcular la densidad energética de una batería es que cada kilogramo de iones de litio puede generar unos 250 vatios-hora de electricidad. O en el mundo de las abreviaturas, los ingenieros prefieren 250 Wh/kg.
Haz un poco de cuentas, una batería de 100 kWh es como un Tesla enchufado a una batería del Model S, lo que significa que vayas donde vayas arrastrarás unos 400 kg de batería. Esta es la mejor y más eficiente aplicación. Para nosotros, los profanos, puede ser más exacto estimar que una batería de 100 kWh pesa alrededor de 1000 libras. Como media tonelada.
Imaginemos ahora algo como el nuevo Hummer SUT, que afirma tener una potencia a bordo de hasta 213 kWh. Incluso si el general encuentra algunos avances en eficiencia, el Hummer superior todavía arrastrará alrededor de una tonelada de baterías. Sí, conducirá más lejos, pero debido a todas estas ventajas adicionales, el aumento de autonomía no es proporcional a la duplicación de la batería. Por supuesto, su camión debe tener un motor más potente (es decir, menos eficiente) que esté a la altura. El rendimiento de alternativas más ligeras y de menor alcance. Como le dirá todo ingeniero automotriz (ya sea en velocidad o economía de combustible), el peso es el enemigo.
Aquí es donde entra en juego la batería estructural. Al construir automóviles a partir de baterías en lugar de agregarlos a estructuras existentes, la mayor parte del peso agregado desaparece. Hasta cierto punto, es decir, cuando todos los elementos estructurales se convierten en baterías, aumentar la autonomía del coche casi no produce pérdida de peso.
Como es de esperar, porque sé que estás ahí sentado pensando: “¡Qué gran idea!”, existen obstáculos para esta solución inteligente. La primera es dominar la capacidad de fabricar baterías a partir de materiales que puedan usarse no sólo como ánodos y cátodos para cualquier batería básica, sino también lo suficientemente fuertes... ¡y muy livianos! -Una estructura que pueda soportar un coche de dos toneladas y sus pasajeros, y se espera que sea segura.
No es sorprendente que los dos componentes principales de la batería estructural más potente hasta la fecha (fabricada por la Universidad Tecnológica de Chalmers e invertida por el Real Instituto de Tecnología KTH, las dos universidades de ingeniería más famosas de Suecia) sean fibra de carbono y aluminio. Básicamente, la fibra de carbono se utiliza como electrodo negativo; el electrodo positivo utiliza papel de aluminio recubierto de fosfato de hierro y litio. Dado que la fibra de carbono también conduce electrones, no se necesitan plata ni cobre pesados. El cátodo y el ánodo se mantienen separados por una matriz de fibra de vidrio que también contiene un electrolito, por lo que no sólo transporta iones de litio entre los electrodos, sino que también distribuye la carga estructural entre ambos. El voltaje nominal de cada celda de batería es de 2,8 voltios y, como todas las baterías de vehículos eléctricos actuales, se puede combinar para producir 400 V o incluso 800 V comunes a los vehículos eléctricos cotidianos.
Aunque se trata de un claro salto, ni siquiera estas células de alta tecnología están preparadas para el horario de máxima audiencia. Su densidad energética es de sólo 25 vatios-hora por kilogramo y su rigidez estructural es de 25 gigapascales (GPa), que es sólo un poco más fuerte que la fibra de vidrio del marco. Sin embargo, con financiación de la Agencia Espacial Nacional Sueca, la última versión ahora utiliza más fibra de carbono en lugar de electrodos de papel de aluminio, que según los investigadores tienen rigidez y densidad de energía. De hecho, se espera que estas últimas baterías de carbono/carbono produzcan hasta 75 vatios-hora de electricidad por kilogramo y un módulo de Young de 75 GPa. Es posible que esta densidad de energía aún esté por detrás de las baterías tradicionales de iones de litio, pero su rigidez estructural ahora es mejor que la del aluminio. En otras palabras, la batería diagonal del chasis del vehículo eléctrico hecha con estas baterías puede ser estructuralmente tan fuerte como la batería hecha de aluminio, pero el peso se reducirá considerablemente.
Es casi seguro que el primer uso de estas baterías de alta tecnología sea en la electrónica de consumo. El profesor Leif Asp de Chalmers afirmó: "En unos pocos años, será totalmente posible fabricar un teléfono inteligente, un ordenador portátil o una bicicleta eléctrica que pese sólo la mitad del peso actual y sea más compacto". Sin embargo, como señaló el responsable del proyecto, “aquí sólo estamos limitados por nuestra imaginación”.
La batería no es sólo la base de los vehículos eléctricos modernos, sino también su eslabón más débil. Incluso las previsiones más optimistas sólo prevén el doble de la densidad energética actual. ¿Qué pasa si queremos conseguir la increíble autonomía que todos hemos prometido y parece que cada semana alguien promete 1.000 kilómetros por carga? — Tendremos que hacer algo más que añadir baterías a los coches: tendremos que fabricar coches con baterías.
Los expertos dicen que la reparación temporal de algunas rutas dañadas, incluida la carretera Coquihalla, llevará varios meses.
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