Todo eléctrico: por qué un futuro limpio requiere de automóviles y más cosas eléctricas
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Updated on: 03 Mar 2021
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¿Qué tienen en común los teléfonos, los refrigeradores y los televisores? Utilizan energía en forma de electricidad.
¿Por qué queremos que (casi) todo sea eléctrico? Porque los paneles solares, las turbinas eólicas y los reactores nucleares limpios producen electricidad. Para utilizar esta electricidad limpia, necesitamos ser capaces de hacer funcionar el transporte y la calefacción con electricidad en lugar de petróleo o gas 
.
Convertir la electricidad en calor tiene casi un 100% de eficiencia. Lo único que nos frena es que el precio del gas sea tan bajo. Por lo tanto, tenemos que lograr que la electricidad limpia sea más barata. Ten en cuenta que no tiene sentido utilizar electricidad en lugar de gas si la electricidad proviene de combustibles fósiles .
¿Y qué pasa con el transporte?
¡Las baterías podrían reemplazar el 71% de los combustibles del transporte!
Baterías vs. combustible para aviones
Pero, ¿qué pasa con los automóviles, camiones, autobuses, etc.? Los automóviles eléctricos ya existen , y con algunas mejoras en el rendimiento y la vida útil de las baterías, los camiones eléctricos estarán también a nuestro alcance . Por suerte, este tipo de transporte terrestre representa la mayor parte de las emisiones de todo el transporte .
Porcentaje de emisiones producido por el transporte
Las mejoras en el rendimiento, la vida útil y el costo de las baterías son el foco de la transición al transporte eléctrico. Si esto te parece interesante, ¡sigue leyendo! Hablaremos con más detalle del funcionamiento de las baterías y luego sobre lo que se puede hacer para mejorarlas.
¿Qué son las baterías?
Hay muchos tipos de baterías . La más común hoy en día es la llamada batería de iones de litio (Li-Ion), que se utiliza en cualquier lugar, desde tu teléfono hasta los automóviles eléctricos . La batería de iones de litio se puede cargar y descargar rápidamente muchas veces .
Batería de iones de litio
Las partes esenciales de una batería de iones de litio son:
- Átomos de litio: cada uno de estos átomos puede perder un electrón para convertirse en un ion de litio positivo (¡De ahí viene el nombre “batería de iones de litio”!) .
- Cátodo: material que atrae el litio (este es el lado positivo de la batería) .
- Ánodo: material que puede almacenar los iones de litio y electrones, normalmente se lo llama grafito (este es el lado negativo de la batería) .
- Separador: una pared entre el cátodo y el ánodo. Este puede ser atravesado por los iones, pero bloquea a los electrones .
- Electrolitos: material donde se alojan el cátodo y el ánodo. No tiene carga, por lo que no interactúa con el resto de la batería, y puede ser líquido o sólido .
Veamos esto con más detalle.
¿Cómo funciona la carga?
En pocas palabras, la carga consiste en utilizar la energía para hacer pasar el litio del cátodo positivo al ánodo negativo .
Carga de una batería de iones de litio
Cuando una batería vacía se conecta a otra fuente de energía, un electrón se desprende de cada átomo de litio y comienza a fluir a través de la fuente de energía desde el cátodo hasta el ánodo.
Cuando un electrón se desprende del litio, deja iones de litio con una carga positiva. Estos iones con carga positiva son atraídos por el ánodo que ahora tiene carga negativa y contiene electrones. Entonces, los iones atraviesan el separador hacia al ánodo.
El grafito del ánodo actúa como el pan de un sándwich, y mantiene a los iones de litio y los electrones separados entre sus capas hasta que la batería se descarga. Este es un estado inestable: los iones de litio realmente quieren unirse a sus electrones.
Ánodo
¿Cómo funciona la descarga?
Descarga de una batería de iones de litio
Cuando el ánodo y el cátodo se conectan mediante un cable, los iones de litio fluyen de vuelta a través del separador, mientras que los electrones toman el camino de vuelta a través del circuito externo. En el cátodo, se recombinan y vuelven a un estado estable.
Cuando los electrones regresan a través del cable, crean una corriente eléctrica. ¡Esta corriente puede utilizarse para encender una bombilla, cargar tu teléfono u otros dispositivos !
¿Por qué litio?
De todos los elementos que conocemos, el litio es uno de los más capaces de liberar electrones. En cambio, otros materiales son más propensos a tomar los electrones . Esto se debe en gran parte a las configuraciones de sus electrones.
¿Por qué? Los átomos están hechos de un centro (llamado núcleo) y de electrones. Los electrones rodean el núcleo formando capas de electrones. Los átomos quieren que sus capas estén u0022llenasu0022. Incluso pueden compartir sus electrones con otros átomos para que esto ocurra. Esta regla es la esencia del funcionamiento de las baterías .
Capas de electrones de litio y flúor
Para el flúor, es más fácil tomar un electrón que dar siete. Para el litio, es más fácil dar uno .
¿Podemos mejorar las baterías?
Como dijimos antes, los automóviles eléctricos ya están disponibles en el mercado y listos para utilizarse . Sin embargo, siguen siendo bastante caros y siempre es bueno realizar mejoras en el rendimiento . Además, los aviones, camiones y barcos eléctricos aún no están disponibles . ¿Podríamos hacer esto posible? Algunos aspectos clave de las baterías que nos gustaría mejorar son:
Mejoras en las baterías
La mayoría de las tecnologías tienen límites físicos. Por ejemplo, los paneles solares comerciales hoy en día absorben un 20% de la luz solar que reciben . En teoría, podríamos ser capaces de construir paneles solares que capten el 100% de la luz solar que reciben, pero claramente nunca más del 100%. Ese es un límite teórico.
Límites teóricos
Aumentar la cantidad de ciclos de carga que sobrevive una batería no tiene ningún límite teórico. ¿Y en la realidad? Hoy en día, las baterías sobreviven miles de ciclos, pero las investigaciones recientes podrían aumentar esto en un factor de 2 a 3. ¡Se acercan tiempos emocionantes!
¿Pero qué pasa con su peso y tamaño?
¿Baterías más ligeras y pequeñas?
Las baterías modernas pueden almacenar alrededor de 250 Wh de energía en 1 kg de batería . Por otro lado, ¡los combustibles como el diésel o el queroseno pueden almacenar 13 000 Wh/kg !
Baterías vs. combustible líquido
¿Cómo podemos mejorar esto? Comencemos con los límites teóricos para ver si vale la pena el esfuerzo. No podemos apuntar más alto que el mejor resultado absoluto, ¡por lo que este siempre es un buen primer paso!
Lo primero que hay que mirar es cuánto pesa cada componente de una batería:
Peso de la batería por componente
Paso 1: Vamos a deshacernos de todo el material innecesario. Cada componente, excepto el cátodo y el ánodo, está ahí para ayudar (en el mundo real lo necesitamos, pero en teoría, no). Observa que el peso del litio se incluye en el peso del cátodo y el ánodo .
Necesitamos acumular el litio en algún lugar, y esa es la única función que cumple el ánodo.
Si pudiéramos crear una batería sin las partes portantes y un ánodo sin peso, podríamos reducir el peso al 41% del peso de la batería actual , lo que nos da una energía específica de 250/0,41 = 609 Wh/kg.
¿Cuál es el mejor cátodo posible?
Lo ideal es elegir materiales que tengan un peso mínimo y una gran atracción al litio.
Aquí se muestran algunos materiales que se están explorando como opciones de cátodos más livianos, junto con su máxima energía específica teórica:
Energía específica de los tipos de baterías y de la gasolina
¡Parece que el aire de litio puede hacer que las baterías sean tan livianas como la gasolina!
¿Son realmente posibles las Li-S y Li-aire?
El tipo de cátodo más común que se utiliza hoy en día es el óxido de litio y cobalto (LiCoO₂) . Es bastante pesado, pero funciona. Por el contrario, las u0022mejoresu0022 alternativas de las que hablamos aquí aún se están desarrollando .
Las baterías de litio-azufre ya están disponibles también, pero aún no a gran escala. .
Las baterías de litio-aire son más complejas que las baterías de Li-S, pero es posible disponer de ellas. . No sabemos todavía si podemos hacer que funcionen lo suficientemente bien como para que sean útiles en la práctica. .
El true obstáculo, sin embargo, es que hemos estado hablando de cantidades teóricas. Como recordarán, nos deshicimos de todos los componentes excepto del cátodo. El cátodo solo constituía el 41% de la masa total, así que si teóricamente alcanzamos el mínimo de la masa del cátodo, el otro 59% de la masa de la batería actual todavía estaría ahí . ¡Esto significa que tendríamos una batería dos veces mejor, incluso si el cátodo no pesara nada!
¡Ay! Investigar es difícil, ¡pero con mucho esfuerzo intelectual (e inversiones), estas tecnologías están mejorando paso a paso! Los ánodos y los materiales que mantienen las baterías unidas también son cada vez más livianos , y los investigadores están progresando continuamente. .
La conclusión más importante aquí es: puede que nunca tengamos baterías con la misma energía que tiene la gasolina, pero podríamos producir baterías con más del doble de capacidad de almacenamiento de energía por kg, quizás incluso de una capacidad de 3 a 5 veces mayor, que las baterías actuales.
Cómo hacer que los automóviles y camiones eléctricos sean más baratos
El precio de las baterías de iones de litio ha disminuido de una manera rotunda durante los últimos años, y se estima que va a seguir bajando .
Precio de las baterías
Esto se debe en parte a la innovación, pero también a la producción en escala. Hoy en día, estamos construyendo muchas más baterías que hace unos años, y eso permite a la industria utilizar métodos de producción en masa que hacen que todo el proceso sea más barato . La compañía Tesla, uno de los mayores productores de baterías del mundo, está construyendo enormes fábricas para aumentar la automatización y la producción, y reducir el costo.
¿Podemos usar baterías para resolver el problema de almacenamiento de energía solar y eólica?
Para el transporte eléctrico, la densidad de energía y la energía específica son muy importantes. Sin embargo, para el almacenamiento a gran escala en red, la escalabilidad y el costo son mucho más importantes. ¿Por qué? Porque necesitamos almacenar mucha energía. Veamos los números.
Nos encantaría que este fuese un número más bajo, pero aquí es donde estamos. 70 billones de dólares equivalen a más del 80% del total del PIB mundial del 2018 . Esto significa que producir la cantidad de baterías suficiente para mantener un día de electricidad para todo el mundo costaría un 80% más que todos los bienes producidos en 2018, ¡todos!
Las baterías de hoy en día son caras
Las baterías son muy importantes para la electrificación del transporte , así que lo que aprendiste aquí sigue siendo muy útil.
¡Pero aún no hemos renunciado al almacenamiento a gran escala! Veremos algunas alternativas de almacenamiento de energía dentro de dos capítulos. Pero primero, echemos un vistazo al combustible de hidrógeno y exploremos cómo podría llevar a electrificar aviones y barcos, y tal vez ser una alternativa a las baterías de los automóviles.
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