Tot el que voleu saber sobre les bateries dels vehicles elèctrics

La velocitat, el quilometratge, el parell i tots aquests paràmetres vitals d’un cotxe elèctric només depenen de l’especificació del motor i de la bateria que s’utilitza al cotxe. Tot i que l’ús d’un motor potent no és gran, el problema rau en dissenyar un paquet de bateries que pugui generar prou corrent per al motor durant molt de temps sense degradar la seva vida útil. Per fer front a la demanda de tensió i corrent, els fabricants de vehicles elèctrics han de combinar centenars, sinó milers de cel·les, per formar un paquet de bateries per a un mateix cotxe. Per fer-nos una idea, el model Tesla S té unes 7.104 cel·les i la fulla de Nissan té unes 600 cel·les. Aquest gran nombre juntament amb la naturalesa inestable de les cèl·lules de liti fan que sigui difícil dissenyar un paquet de bateries per a un cotxe elèctric. En aquest article, expliquem com està dissenyat un paquet de bateries per a vehicles elèctrics per a un vehicle elèctrici quins són els paràmetres vitals associats a les bateries que s'han de tenir en compte.

Què hi ha dins d’un paquet de bateries per a vehicles elèctrics?

Si heu llegit l'article sobre Introducció al vehicle elèctric, ja haureu respost a la pregunta. Per a les persones noves, deixeu-me fer una reducció ràpida. La imatge següent mostra el paquet de bateries de Nissan Leaf que es desgasta al nivell de la cel·la del seu paquet.

Els cotxes elèctrics moderns utilitzen bateries de liti per alimentar els seus vehicles a causa d’algunes raons òbvies que parlarem més endavant en aquest article. No obstant això, aquestes bateries de liti tenen solament al voltant de 3,7 V per cel·la mentre que un cotxe EV requereix algun lloc prop de 300V. Per aconseguir aquest tipus d’alt voltatge i Ah, les cèl·lules de liti es combinen en sèrie i en combinació paral·lela per formar mòduls i aquests mòduls, juntament amb alguns circuits de protecció (BMS) i sistema de refrigeració, es disposen en una carcassa mecànica anomenada col·lectivament bateria, tal com es mostra més amunt.

Tipus de bateries

Tot i que la majoria de vehicles utilitzen bateries de liti, no només ens limitem a això. Hi ha molts tipus de productes químics disponibles. En general, les bateries es poden classificar en tres tipus.

Bateries primàries: són bateries no recarregables. És a dir, pot convertir l’energia química en energia elèctrica i no viceversa. Un exemple serien les bateries alcalines (AA, AAA) que s’utilitzen per a joguines i comandaments a distància.

Bateries secundàries: són les bateries que ens interessen per als vehicles elèctrics. Pot convertir l'energia química en energia elèctrica per alimentar el vehicle elèctric i també pot convertir l'energia elèctrica en energia química de nou durant el procés de càrrega. Aquestes bateries s'utilitzen habitualment en telèfons mòbils, vehicles elèctrics i en la majoria dels altres productes electrònics portàtils.

Reserves de bateries: són tipus especials de bateries que s’utilitzen en aplicacions molt úniques. Tal com indica el nom, les bateries es mantenen com a reserva (en espera) durant la major part del temps de vida i, per tant, tenen una taxa d’autodescàrrega molt baixa. Un exemple serien les piles armilles salvavides.

Química bàsica d’una bateria

Com s’ha dit anteriorment, hi ha moltes químiques disponibles per a les bateries. Tota química té els seus pros i contres. Però, independentment del tipus de química, hi ha poques coses que siguin habituals per a totes les bateries, deixem-les fer una ullada sense aprofundir en la seva química.

Hi ha tres capes principals en una bateria: el càtode, l'ànode i el separador. El càtode és la capa positiva de la bateria i l’ànode és la capa negativa de la bateria. Quan es connecta una càrrega als terminals de la bateria, el corrent (electrons) flueix des de l’ànode fins al càtode. De la mateixa manera, quan es connecta un carregador als terminals de la bateria, el flux d'electrons s'inverteix, és a dir, de càtode a ànode, tal com es mostra a la figura anterior.

Perquè qualsevol bateria funcioni, s’hauria de produir una reacció química anomenada Reacció de reducció d’oxidació. De vegades també s’anomena Reacció Redox. Aquesta reacció té lloc entre l’ànode i el càtode de la bateria a través de l’electròlit (separador). El costat ànode de la bateria estarà disposat a guanyar electrons i, per tant, es produirà una reacció d’oxidació i el costat càtode de la bateria estarà disposat a perdre electrons i, per tant, es produirà una reacció de reducció. A causa d'aquesta reacció, els ions es transfereixen des del càtode al costat de l'ànode de la bateria a través del separador. Com a resultat, hi haurà més ions acumulats a l'ànode. Per neutralitzar aquest ànode cal empènyer els electrons del seu costat al càtode.

Però el separador només permet el flux d’ions a través d’ell i bloqueja qualsevol moviment d’electrons de l’ànode al càtode. Per tant, l’única manera en què la bateria pot transferir els electrons és a través dels seus terminals exteriors, per això, quan connectem una càrrega als terminals de la bateria, obtenim un corrent (electrons) que flueix.

Fonaments bàsics de la química de la bateria de liti

Ja que anem a discutir sobre les bateries de liti, ja que són les bateries més preferides per a vehicles elèctrics. Hi ha molts tipus de bateries de liti de nou, liti-níquel-cobalt alumini (NCA), liti-níquel-manganès cobalt (NMC), liti-manganès-espinel (LMO), liti-titanat (LTO), liti-ferro fosfat (LFP) són els més comuns. Una vegada més, cada química té les seves pròpies característiques, que són il·lustradament detallades per la imatge del grup Boston Consulting.

D’aquests, el níquel de liti i cobalt-alumini és el més utilitzat pel seu baix cost. Aprofundirem en aquests paràmetres més endavant en aquest article. Però una cosa habitual que podeu observar aquí és que el liti és present a totes les bateries. Això es deu principalment a la configuració electrònica del liti. A continuació es mostra un àtom de metall de liti neutre.

Té un nombre atòmic de tres, el que significa que hi haurà tres electrons al voltant de la nucleasa i la capa més exterior només té un electró de valència. Durant la reacció, aquest electró de valance es treu, donant-nos un electró i un ió de liti amb dos electrons formant un ió de liti. Com s'ha comentat anteriorment, l'electró fluirà com a corrent a través dels terminals externs de la bateria i l'ió de liti fluirà a través de l'electròlit (separador) durant la reacció redox.

Conceptes bàsics de les bateries de vehicles elèctrics

Ara sabem com funciona una bateria i com s’utilitza en un vehicle elèctric, però per procedir d’aquí hem d’entendre algunes terminologies bàsiques que s’utilitzen habitualment a l’hora de dissenyar una bateria. Parlem-ne…

Voltatge nominal : dues valoracions molt habituals que podeu trobar en una bateria són la seva tensió nominal i la valoració Ah. Les bateries de plom àcid solen ser de 12V i les de liti de 3,7V. Això s’anomena tensió nominal d’una bateria. Això no vol dir que la bateria proporcioni 3,7 V a través dels seus terminals tot el temps. El valor de la tensió variarà en funció de la capacitat de la bateria. En parlarem