¿Por qué las baterías del automóvil siguen siendo tan pesadas?

Cuando era niño, las baterías de los automóviles solían ser grandes y pesados ​​trozos de plástico llenos de plomo y ácido. Solían pesar casi tanto como un teléfono móvil (una ligera exageración allí, lo siento).

45 años después, las baterías de los automóviles aún se ven igual y pesan lo mismo.

Entonces, en esta era moderna y con énfasis en la economía de combustible, ¿por qué las baterías aún pesan 40 lb? ¿Por qué los avances tecnológicos no han podido hacerlos más ligeros y más eficientes?

Entonces, ahora después de la respuesta a su pregunta literal a su pregunta real , que lamentablemente no preguntó

La tecnología de la batería ha avanzado hasta ahora en los últimos 100 años. La batería de arranque de plomo-ácido se hizo común en los automóviles en 1920, el plomo es esencialmente veneno y el ácido sulfúrico / plomo no es menos peligroso. Tienden a fallar en temperaturas frías, especialmente si no se mantienen regularmente, y aunque obviamente son muy baratas de producir, todo su manejo, incluidos los requisitos legales para recuperar las baterías viejas, debe ser una pesadilla.

¿Por qué la industria no acaba de trazar una línea y cambiar a cosas como LiIon o buenas baterías de NiCd o NiMH, ahora que los autos eléctricos han demostrado que puedes conducir años de manera confiable en base a eso?

Las baterías de NiCd son simplemente peores en todos los aspectos, pero la densidad de energía que el ácido de plomo. NiMH es mejor, pero mucho más costoso, y todavía tiene una mayor tasa de descarga, por lo general (a menos que los haga aún más caros). Y sigue siendo bastante difícil de eliminar adecuadamente.

Las baterías de litio no son tan fáciles de manejar. Debe protegerlos contra todo tipo de fallas, y algunas de ellas son bastante fatales: no sobrecaliente su batería de litio. Estallará Y el calor es un problema grave dentro del compartimento del motor (para ser justos, no es necesario que haya una batería allí, pero es bastante útil).

La razón principal es realmente el costo. La batería de mi último automóvil, un Fiat Punto de 1999, suministró un máximo de 100 A (cuando intenté estimar la corriente de cortocircuito real, alrededor de 43 A, pero aún mucho. Digamos P = U · I = 12V · 40A = 480W ) actual, y tenía una capacidad nominal de alrededor de 30 Ah (eso es una energía de 12V · 30Ah = 360Wh). Me costó 25 €. Entonces, supongo que es más barato producir 10 €.

Entonces, tomemos un tipo de batería de litio que se produce en masa y, por lo tanto, es barato. Las celdas redondas comúnmente encontradas que componen muchos paquetes de baterías para portátiles cuestan alrededor de 3 € cada una (digamos 1 € en producción) por alrededor de 3Ah (11.1Wh), suministrando hasta 5A (arriba, no lo hagas por mucho tiempo) 3.7 V. Eso dice que una sola celda de estos puede suministrar 18.5W. Entonces, para alcanzar los 480 W estimados de la batería de mi coche barato, necesitarías 26 de ellos. Su producción costaría 26 €, sin contar los euros que gasta en circuitos de control, carga y protección, encerrarlos en algo rígido y seguro, y el hecho de que los minerales necesarios para producir algunos de los componentes de metales raros en Litio Actualmente, las baterías no se están volviendo más baratas, y equipar autos en todo el mundo con esas definitivamente acelerará ese mecanismo de mercado.

Asumamos escalas de costos con capacidad. Mi batería de litio de 26 celdas tiene 26 · 11.1Wh = 288.6Wh de energía. Entonces, debemos escalar eso en 1.25 para lograr los mismos 360Wh que la batería de plomo-ácido.

Tal celda pesa alrededor de 90 g. Entonces el peso de las células es 26 · 90 g = 2.34 kg. Ok, no tengo el peso exacto de la batería de mi automóvil barato en mi cabeza, pero digamos que fue de 15 kg. Por lo tanto, ahorramos peso en un factor de aproximadamente 6.3, si nuestra carcasa y los componentes electrónicos son livianos (no lo son; por lo que puedo decir, necesitará una fuente de alimentación de modo de interruptor fuerte para poder cargarlos de manera eficiente usando el generador de su automóvil, y estos consisten principalmente en una bobina de cobre bastante voluminosa, y tal vez un núcleo de ferrita que tampoco es exactamente liviano).

Eso lleva a un factor de costo de aproximadamente 3.5 entre el componente A y la alternativa de componente B, con desventajas de manejo, menor confiabilidad y cambios en la cadena de suministro. No es de extrañar que la industria automotriz no esté avanzando en esa dirección. (Y, por cierto, tienen un excelente lobby).

Entonces, la respuesta obvia primero:

¿Por qué las baterías aún pesan 20 kg?

Porque siguen siendo las mismas baterías de plomo-ácido. Simple como eso. Ninguna otra tecnología se acercó al bajo costo por amperio (y amperios-hora) de esos, ni cerca de la confiabilidad y la facilidad de manejo. 20 kg no es tan pesado, si considera que "economía de combustible" todavía significa que su automóvil nuevo promedio lleva alrededor de docenas de kilogramos de funcionalidad de "comodidad", y pesa alrededor de 1 Mg solo para las partes metálicas.

45 años después, las baterías de los automóviles aún se ven igual y pesan lo mismo.

45? Más como 120 años ... pero sí. Todavía construimos puentes de acero, nuestro concreto ha mejorado, pero todavía es esencialmente concreto, usamos asfalto para carreteras, el cobre sigue siendo nuestro conductor favorito, la tecnología de amplificador más comúnmente encontrada en todo lo que no es básicamente baja frecuencia. un amplificador de clase A / B basado en transistor bipolar, y nuestros refrigeradores aún no se basan en medios más eficientes de transporte de calor, sino en la compresión de fluidos más o menos peligrosos.

Las últimas baterías son mucho más livianas y cuestan menos durante la vida útil de un vehículo que las de antaño. Pero no utilizan la química LA (ácido de plomo).

Una batería LiFePO4 (fosfato de ferro-litio) hará lo que se requiere a un costo de vida aceptable pero PERO a un costo de capital inicial más alto, lo que lo hace poco atractivo para los fabricantes de automóviles.

El bajo costo de capital inicial parece ser la razón principal para preferir el plomo-ácido al LiFeO4 y no es obvio que haya otras razones realmente buenas.

La vida útil del ciclo es mucho mayor que la del ácido de plomo, lo que permite que el costo total de la vida sea menor que el ácido de plomo.

A diferencia de LiIon (Ion de litio), un "pico en el corazón" no causará los problemas que tiene un LiIon.

El control de carga es "bastante fácil".

En comparación con el ácido de plomo:

La profundidad de descarga permitida y las tasas de carga máximas aceptables son más altas,

Rango de temperatura es mejor

La eficiencia de recarga es mejor.

El rendimiento de autodescarga es mejor.

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Ion de litio / LiIon:

Vale la pena comentar sobre las baterías de LiIon ya que a menudo reciben "mala prensa" con respecto a la seguridad.

En comparación con el ácido de plomo, la química de LiIon ofrece densidades de masa y energía sustancialmente mejores (más livianas y más pequeñas), una vida de ciclo algo más larga, un costo de capital más alto y probablemente un costo de vida total algo superior. Gestionado adecuadamente, el control de carga es más fácil. Los rangos de temperatura son mejores, la eficiencia de carga / descarga es algo superior. Las desventajas relacionadas con la seguridad no son en gran medida un problema, ver más abajo.

En muchas aplicaciones, las baterías LiIon son las baterías elegidas, desde Dreamliners hasta teléfonos Samsung, pasando por "Hoverboards", Mars Rovers, computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, reproductores de MP3 y más. Las primeras tres aplicaciones anteriores fueron seleccionadas por sus conocidos fallos espectaculares. Pero cualquier cosa utilizada en un Mars Rover se elige por su idoneidad en un ambiente hostil de larga vida, no debe fallar tarea. Y hay cientos de millones de baterías de iones de litio que se usan a diario en los bolsillos de las personas y en hogares, automóviles y más.

Dadas las formas en que las baterías de LiIon PUEDEN fallar, los números que sí fallan de manera espectacular son muy raros. Las fallas que se informan con frecuencia se deben con frecuencia a alguna falla sistémica que afecta a un lote o modelo de batería que se ha producido y distribuido en grandes cantidades O en aplicaciones de bajo volumen o de alto perfil. En tales casos, una falla o deficiencia de diseño o fabricación causa o permite fallas cuyas consecuencias se ven exacerbadas por los comportamientos implacables de la química de LiIon.

Los ejemplos son eventos bien publicitados de "desahogarse con llamas" en algunas computadoras portátiles de Apple, teléfonos Samsung, "hoverboards" autobalanceados y similares. En los primeros dos ejemplos, por lo general, los fabricantes competentes permitieron que existiera una falla de diseño sin corregir y / o desapercibida o cortando esquinas en la fabricación en la medida en que los márgenes de seguridad los alcanzaran. En el caso de los "aerodeslizadores", la causa es desconocida para mí, pero es tan probable que sea una fabricación de bajo costo y baja calidad y un control de carga deficiente como cualquier otra cosa. En los equipos de consumo, las fallas de la batería de LiIon a menudo son el resultado de un cortocircuito que se produce en una celda debido a espacios libres inadecuados y la consecuente sensibilidad al impacto o al extremo lejano de las variaciones estadísticas de tolerancia de fabricación.

En el caso de las fallas de la batería Boeing Dreamliner, no he visto un informe final de causa raíz PERO mientras se produjeron varias fallas bien publicitadas (y tal vez algunas no publicadas) en un volumen de producto muy pequeño, las consecuencias fueron asombrosamente bien contenidas .

Un examen detallado de las fallas y modos y consecuencias de LiIon muestra que casi siempre son tan violentos como sugiere el popular 'mito' y que, si bien la liberación de energía es sustancial, la contención es relativamente fácil en términos de ingeniería. La contención agrega peso, volumen y costo, y es poco probable que se encuentre en computadoras portátiles o dispositivos de bolsillo / portátiles. Se encuentra en Dreamliners y podría usarse fácilmente en aplicaciones automotrices de una sola batería (es decir, no EV) mientras mantiene el peso y el volumen aún por debajo de los niveles de plomo y ácido a un costo adicional modesto. En aplicaciones de vehículos eléctricos, los problemas parecen haberse resuelto o acomodado "suficientemente bien". No tengo experiencia en áreas reguladoras de seguridad vehicular, pero confío en que las regulaciones que nos brindan espectaculares imágenes ficticias y permiten la captura de combustibles de petróleo de alta volatilidad en vehículos de pasajeros también abordan los problemas de seguridad en torno a las fuentes de energía de LiIon. No he oído hablar de un automóvil 'Tesla' que se inmola por falla de la batería, aunque puede haber sucedido, e imagino que Musk y compañía creen que tienen esta área de riesgo "adecuadamente en mano".

Nunca, para mi decepción, he visto un evento de ventilación con llama de LiIon y no conozco personalmente a nadie que lo haya hecho. Los sucesos son lo suficientemente comunes como para ocasionalmente aparecer en las noticias de Nueva Zelanda (la población de Nueva Zelanda es inferior a 5 millones).

LiIon versus LiFePO4:

En comparación con LiFePO4, de iones de litio ofertas de química algo mejores de masa y energía densidades (un poco más ligeros y más pequeños), sustancialmente INFERIOR ciclo de vida, ligeramente menor costo de capital (capacidad por energía), y sustancialmente inferior totalidad del costo de la vida. El control de carga es casi el mismo, pero LiFePO4 es significativamente más difícil de dañar en casos marginales. Los rangos de temperatura no son tan buenos, la eficiencia de carga / descarga es casi la misma. LiFePO4 están mucho menos sujetos a problemas de seguridad.

En áreas donde el tamaño y peso más pequeños y el costo de capital más bajo son importantes (con el uso de vehículos eléctricos como un buen ejemplo), LiIon es superior a LiFePO4.

En casi todas las demás áreas y aplicaciones, LiFePO4 es mejor o mucho mejor que LiIon y las consideraría la tecnología de batería actual elegida para el almacenamiento de energía de alta energía, larga vida útil y alto conteo de ciclos.

Existen baterías de arranque de litio , principalmente para carreras u otras aplicaciones de rendimiento o lujo donde el ahorro de peso o los derechos de alardear valen el costo.

Sin embargo, como otros han señalado, las demandas de la aplicación son bastante extremas y la tecnología de litio necesita mucho desarrollo y cuidado especial para poder cumplir de manera confiable y segura el papel de una batería de arranque / accesorio en un vehículo de motor. Los precios son extremadamente altos: fácilmente entre diez y veinte veces el costo de una batería de plomo normal. La mayoría de las personas no quieren pagar $ 1000 por la batería de su automóvil, por lo que no lo hacen.

La respuesta es muy simple: porque no hemos encontrado nada mejor.

La batería de un automóvil debe mantener su carga durante un largo período de tiempo, ser capaz de entregar una gran corriente y caber en un espacio pequeño. Y ayudaría si no es demasiado caro.

El ácido de plomo sigue siendo la mejor solución para esos requisitos.

Puede usar una química basada en litio, pueden mantener la carga y entregar grandes corrientes. También son mucho más caros, sensibles a la temperatura, requieren más cuidado eléctrico, y son más espectaculares si se manejan mal de forma eléctrica o mecánica.
Los costos y la complejidad adicionales simplemente no valen los beneficios de una reducción de <1% en la masa final de los automóviles.

Vi que agregaste una nueva pregunta al final de tu publicación:

¿Por qué los avances tecnológicos no han podido hacerlos más ligeros y más eficientes?

Porque no es así como funciona la química.

La capacidad en un solo tipo de batería se define más o menos por la cantidad de iones que tiene, y eso es, en el caso de las baterías de plomo-ácido, más o menos la masa de plomo que necesita, más algo para mantener la estructura intacta.

Ahora, otros tipos de baterías sufren de una falta de superficie o una movilidad limitada de iones que limitan la capacidad de esas baterías para generar una corriente alta, pero no hay mucho que pueda hacer para aumentar eso para la batería de ácido de plomo: el agua es un excelente portador para el químicos involucrados, y la capacidad actual de abastecimiento de una batería de ácido de plomo está prácticamente al máximo.

Por lo tanto, es simplemente una tecnología madura. Al igual que no hemos mejorado mucho el acero de construcción barato en los últimos 80 años, no hay mucho que se pueda hacer con respecto a las baterías de plomo y ácido para mejorarlas sin abandonar el principio de plomo y ácido, con todos los problemas que explica mi segunda respuesta .

El uso del supercondensador como batería de arranque es totalmente factible y fue probado por entusiastas en la práctica, ver ejemplo . Además del precio más alto, se reportan algunos ejemplos de dificultades prácticas:

• Supercap solo, mientras enciende el automóvil más fácilmente que la batería de plomo, se descargará en aproximadamente media hora de escuchar la radio si no se carga continuamente.
• El combo de batería de litio + supercap conectado directamente no sufre lo anterior, pero terminó dañado cuando lo usó para arrancar un cortacésped: la batería de Li necesitaría componentes electrónicos adicionales para evitar esto.

Principalmente una razón: precio. Existen alternativas tecnológicamente mejores, como las baterías de iones de litio utilizadas en los automóviles eléctricos, pero también son mucho más caras. Estas baterías son absolutamente necesarias en los automóviles eléctricos donde se necesita una gran capacidad sin aumentar demasiado el peso del vehículo (las baterías de plomo serían demasiado pesadas si tuvieran que reemplazar el tanque de combustible como el único suministro de energía para el automóvil), pero en Los automóviles que funcionan con combustible tienen el peso de una sola batería de plomo clásica que se usa solo para arrancar el motor, en comparación con el peso del automóvil no es significativo, mientras que la relación precio / capacidad es dramáticamente más baja. Es un problema de costo / eficiencia: son más baratos, proporcionan suficiente energía para las necesidades del automóvil y su peso no es relevante.