Química secreta de la batería: ¿cómo funciona la batería de iones de litio de su eMTB?

Apenas pasa un día sin noticias sobre la tecnología de batería para la movilidad eléctrica. Las baterías de iones de litio siguen siendo la batería elegida para dispositivos móviles, incluidos los eMTB. Siga leyendo para descubrir por qué este es el caso y por qué la química de la batería es de alto secreto. no necesitas un título en química para comprender de manera básica cómo funciona la batería de tu bicicleta eléctrica

Las bicicletas eléctricas nos permiten llegar al trabajo sin el estrés de los atascos o el sudor. Quitan la carga de los correos, sirven como un medio de transporte saludable y amigable para las articulaciones y nos llevan a senderos que difícilmente podríamos haber logrado solo con el poder de las piernas. El mercado se está expandiendo rápidamente y hemos dado por sentado el soporte electrónico. Sin embargo, lo aparentemente simple que hace que nuestras vidas sean mucho más fáciles es en realidad bastante complejo. Es por eso que le daremos una pequeña idea de la planta de energía de su eMTB: la batería.

El inicio del boom

Cuando las baterías de iones de litio se introdujeron en el mercado a principios de la década de 1990, marcaron el comienzo de una nueva era. Si bien muchos fabricantes inicialmente aún confiaban en las baterías de hidruro de níquel-metal, las potentes baterías de iones de litio habían superado a la industria a principios del siglo XXI. ¿Los beneficios? En primer lugar, vale la pena mencionar el menor peso, que ha demostrado ser particularmente útil cuando se usa en dispositivos portátiles como computadoras portátiles, teléfonos inteligentes, taladros inalámbricos y, en última instancia, también en el automóvil eléctrico y la bicicleta. Sin embargo, sobre todo, las baterías de iones de litio tienen una alta densidad de energía, capaces de almacenar más energía con un peso relativamente bajo. Los tres científicos que sentaron las bases de esta revolucionaria tecnología de almacenamiento de energía: Stanley Whittingham, Akira Yoshino y John Goodenough, recibieron el Premio Nobel de Química en octubre pasado. Pero eso no es lo suficientemente bueno para Goodenough. El ganador más antiguo del Premio Nobel está buscando comenzar la próxima revolución en el almacenamiento de energía estacionaria utilizando baterías de estado sólido, que serán más duraderas, capaces de soportar más ciclos de carga y no serán inflamables. Las baterías de estado sólido aún no son relevantes para su uso en baterías pequeñas de bicicletas eléctricas móviles y probablemente no lo serán en el futuro cercano.

La construcción de una batería – y los archivos secretos de la química de la batería

Cuando hablamos de dispositivos de almacenamiento de energía, generalmente nos referimos a ellos como baterías. A diferencia de las baterías no recargables (baterías primarias), recargables (secundarias) baterías Se puede cargar y descargar varias veces. En el corazón de la batería hay varios células electroquímicas, llamados elementos galvánicos, conectados en serie. Debido a que las celdas individuales producen un voltaje y una capacidad relativamente bajos, muchas tienen que conectarse entre sí para cumplir con los requisitos de algo como una batería eMTB. A su vez, la capacidad de estas celdas es un factor importante en la investigación de la batería, ya que juega un papel importante en el alcance y el rendimiento de los vehículos con motor eléctrico. Si bien la capacidad se puede aumentar con más celdas, aumentando el tamaño y el peso de la batería, también está influenciada por la combinación de materiales de los electrodos y las capas en las celdas. Encontrar la combinación óptima y la mezcla de materiales es muy complicado: el material del electrodo determina la salida de voltaje durante el funcionamiento normal y determina el voltaje de salida nominal de la corriente eléctrica. La energía almacenable a su vez depende de la naturaleza de los materiales utilizados. Además, una batería también debe poder sobrevivir a muchos ciclos de carga, por lo que se utilizan diferentes materiales para las capas estabilizadoras.

La corriente de carga o descarga máxima permitida también varía según el diseño de la batería, al igual que su sensibilidad a la temperatura. Si cambia un componente del electrodo para aumentar la estabilidad térmica, esto a su vez puede tener una influencia negativa en la capacidad. Independientemente de lo que contenga el cóctel, la regla general es que cuanto más uniforme sea la composición química de la batería, mayor será el rendimiento y la vida útil. Después de todo, los mejores cócteles solo tienen unos pocos ingredientes que armonizan bien en combinación. Con todas estas variables, no es sorprendente que la mezcla de materiales utilizada por los fabricantes sea generalmente un secreto muy bien guardado.

Lo que el cóctel finalmente contenga, la regla general es que cuanto más uniforme sea la composición química de la batería, mayor será su rendimiento y vida útil.

Con una batería recargable, la energía se almacena en procesos electroquímicos reversibles. La eficiencia de este proceso es alta (más del 90%), lo que significa que casi toda la energía almacenada se puede recuperar cuando sea necesario. Al descargar (por ejemplo, cuando usa su bicicleta eléctrica), la energía almacenada en forma química se convierte en energía eléctrica a través de una reacción electroquímica. Esta diferencia potencial de la batería (voltaje) hace que la corriente fluya cuando el circuito está cerrado, impulsando el motor de su eMTB.

Para permitir que la celda se conecte en un circuito, hay una capa de metal especial, la colector de corriente, en cada lado. los electrodos de la batería están conectadas a estos dos conductores: en el caso de la capa de aluminio, esta puede ser una capa hecha de óxido de litio metálico (por ejemplo, dióxido de litio cobalto, LiCoO2), que es el polo positivo (cátodo) En el lado del ánodo, el cobre está unido a una capa de electrodo de grafito puro, una forma natural de carbono con una alta densidad de energía. Para evitar un cortocircuito, el ánodo y el cátodo están separados por una capa de separación (separador)

La celda está llena de un producto extremadamente puro y sin agua. electrólito solución que contiene una sal de litio conductora de iones.

La mayoría de las baterías en el mercado hoy en día son baterías de dióxido de cobalto de litio, incluidos los de las bicicletas eléctricas. El litio solo constituye el 1–1.5% del material de la batería utilizada, pero es el jugador crucial en el sistema. Todos los componentes reactivos, los electrodos positivo y negativo, así como la solución electrolítica, contienen litio, como iones individuales con carga positiva (Li +) que transportan una carga eléctrica entre los electrodos positivo y negativo.

Los procesos de carga y descarga.

Cuando usa el motor en su bicicleta eléctrica, la batería usa gradualmente su carga. En un estado cargado, el ánodo de grafito "retiene" el exceso de iones de litio. Cuando el circuito está cerrado, una reacción química crea electrones que fluyen a través del circuito, creando una corriente. Para igualar el cambio en la carga causado por los electrones negativos, los iones de litio positivos también migran de regreso al cátodo. Aquí es donde el electrolito es clave, permitiendo que los iones de litio se muevan internamente en la batería pero deteniendo los electrones, lo que significa que tienen que fluir a través del circuito. Todo el proceso está impulsado por la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo. Cuando el circuito está cerrado, la reacción puede ocurrir, cuando está abierto se detiene.

Es como un bar donde el empollón de la química intenta conversar con la enérgica fiestera. En el momento en que alguien enciende su motor afuera, la chica electrónica se levanta y deja a su grupo en el lado del ánodo de la barra. El nerd se siente triste de que lo hayan dejado solo, pero se da cuenta de que de alguna manera la chica de los electrones ha terminado al otro lado de la barra. Siendo sociable, se movió en un circuito por todo el espacio antes de terminar en el otro lado. Siempre esperanzado, el nerd fluye como un ion Li + de equilibrio de carga a través del mostrador hacia el otro lado de la barra y llega al lado del cátodo. Por lo general, el mostrador funciona como una barrera entre los dos lados, pero hay una puerta trasera fría que la mayoría de la gente desconoce. Pero el nerd sí (es inteligente después de todo). La barrera está hecha de un plástico microporoso, casi como una membrana GORE-TEX, solo permeable por los tipos nerd Li +. Se desliza para tratar de encontrarse con la chica electrónica nuevamente en el otro lado. El proceso no es un incidente aislado. El bar tiene un sorprendente número de chicas electrónicas y nerds Li +, que siguen pasando por el mismo proceso. El lado del cátodo de la barra es muy sociable y acogedor, con todo el mundo alejándose del lado del ánodo hasta que todos se hayan ido y la batería esté vacía. ¡En el espíritu de igualdad, nos gustaría aclarar en este punto que hay al menos tantos chicos de electrones en el bar!

Cuando recargamos la batería, se aplica un voltaje desde el exterior, lo que crea un exceso de electrones en el ánodo. Los iones de litio ahora fluyen en la dirección opuesta del cátodo al ánodo y se almacenan en el ánodo.

La solución electrolítica sirve como medio de transporte para los iones de litio cargados positivamente. Debe ser puro y sin agua ya que el litio es muy reactivo con el agua. Esta es una de las razones por las que debería usar baterías originales de alta calidad en lugar de las de fabricantes sin marca. Actualmente, hay mucho interés en la composición del electrolito, con mucha investigación para reemplazar el electrolito orgánico actual con uno inorgánico para aumentar la densidad de energía y, en última instancia, el rango. Es algo complicado: el electrolito debe ser capaz de manejar una corriente de alrededor de cuatro voltios. Dado que los electrolitos acuosos forman gases reactivos a este voltaje, lo que resulta en una vida útil reducida de la batería, los solventes orgánicos (mezclados con sales conductoras) siguen siendo el medio de elección. También es clave que el electrolito forme una capa estable en el ánodo de grafito cuando la batería se carga por primera vez. Esto actúa como una capa protectora, evitando que el solvente orgánico descomponga aún más el ánodo durante los ciclos de carga adicionales. Pero hay más en el cóctel perfecto: los aditivos se usan para reducir la viscosidad, permitiendo que los iones pasen más fácilmente y además hay otros componentes químicos, como los que reducen la inflamabilidad.

Todos estos factores enfatizan la importancia de un líquido puro para evitar perturbaciones durante los ciclos de carga y descarga. El separador también debe ser de alta calidad para evitar un cortocircuito. Es obvio: la calidad de los componentes de la celda es extremadamente importante, por lo que un fabricante de confianza es crucial.

Peligro de incendio: ¿qué pasa con la inflamabilidad de las baterías de iones de litio?

El litio es un metal ligero naturalmente reactivo y autoinflamable. Dependiendo del tipo de batería, el límite de temperatura puede estar entre 150 ° C y 250 ° C. Si se excede este límite, el litio reacciona con otros componentes de la celda de la batería, generando aún más calor, creando una reacción térmica desbocada. A unos 300 ° C, el electrolito líquido comenzará a arder. Para evitar que esto suceda, las baterías de iones de litio tienen un circuito electrónico integrado, el llamado sistema de gestión de baterías. Actúa como una unidad de control y garantiza que todas las celdas experimenten cargas iguales. Después de todo, se supone que una buena gestión asegura un ambiente de trabajo saludable y feliz a largo plazo.

Aunque los fabricantes de baterías garantizan la calidad de su producto y los componentes utilizados, recomendamos seguir algunas pautas generales:

  1. Solo use baterías y cargadores que estén certificados con un determinado estándar de seguridad (estándar CE) y siempre use el cargador adecuado para la batería, ya que esto garantiza un apagado adecuado.
  2. No exponga la batería a temperaturas extremas, el rango de temperatura ideal es entre 10 ° C y 30 ° C.
  3. Evite descargas profundas: si no usa su bicicleta eléctrica durante mucho tiempo, debe retirar la batería de la bicicleta y almacenarla a media carga a una temperatura de aproximadamente 15 ° C. Si la batería no es extraíble, lo hará Hay que guardar la bicicleta en consecuencia. (Si la batería está vacía y la recarga después de que se haya almacenado por debajo de 0 ° C durante mucho tiempo, la celda puede expandirse, lo que puede provocar la deflagración).
  4. Si la batería se mantuvo en un ambiente frío por un tiempo prolongado, primero debe llevarla lentamente a temperatura ambiente antes de recargarla (retire la batería o lleve la bicicleta a una habitación más cálida). No deje la batería desatendida la primera vez que la recargue.
  5. No cargue la batería sobre objetos inflamables (como cajas de madera o similares) o cerca de sustancias inflamables (gasolina).
  6. No use una batería si está dañada. Llévelo a su distribuidor y reemplácelo solo con el modelo original correcto. No todos los sistemas de gestión de la batería pueden comunicarse con todos los motores y, si no es la batería correcta, esto podría ocasionar complicaciones.

¿Por qué las baterías de iones de litio son la mejor opción para bicicletas eléctricas (de montaña)?

Actualmente, hay una carrera para encontrar la mejor solución para la movilidad eléctrica. Están sucediendo muchas cosas en los sectores automotriz e industrial, especialmente en el área de almacenamiento de energía estacionaria. Los científicos australianos han avanzado recientemente con las baterías de litio y azufre, pero la tecnología aún está en pañales. Los verá surgir en situaciones donde el peso es más importante que el tamaño, como la aeronáutica, porque aunque su densidad de energía es mucho mayor que las baterías de iones de litio, lo que le brinda más energía para el mismo peso, también son bastante poco voluminoso Eso significa que es poco probable que veamos las baterías de litio-azufre en la tecnología ebike en el corto plazo. Las baterías de iones de litio siguen siendo el estándar para dispositivos de almacenamiento de energía pequeños, móviles y recargables en bicicletas eléctricas. Sus ventajas son indiscutibles.

Con las baterías de iones de litio, la densidad y la capacidad de energía son altas debido al alto voltaje de la celda y el rango resultante es completamente suficiente. ¿Quién quiere andar 1,000 km al día de todos modos? También puntúan por su baja pérdida de capacidad y pueden recargarse innumerables veces. Además, las baterías de iones de litio ofrecen una larga vida útil debido a la mínima autodescarga y un rango de temperatura relativamente amplio para el almacenamiento y la operación. También son relativamente baratos de fabricar. Las baterías de iones de litio se están optimizando y se están volviendo cada vez más potentes sin agregar mucho peso o volumen. Entonces, ¿cuál es el factor decisivo aquí? Puedes adivinar la respuesta: son los componentes químicos y su influencia en el proceso de carga, lo que nos lleva de vuelta a esos archivos de alto secreto.

No sabemos exactamente cómo algunos fabricantes ahorran peso o cargan la batería más rápidamente, pero una mirada más cercana a las diferentes baterías de bicicletas eléctricas en el mercado revela algunos números interesantes. La batería integrada de 500 Wh Bosch PowerTube pesa alrededor de 200 g menos que la integrada de 504 Wh Shimano STEPS BT-E8020. Del mismo modo, el PowerPack externo de 500 Wh Bosch tiene una ventaja de peso de 100 g en comparación con la batería 504 Wh Shimano STEPS BT-E8010. Es igual de interesante observar los tiempos de carga. Mientras que el cargador rápido de Bosch logra una carga completa en tres horas, el cargador rápido Shimano STEPS EC-E6000 tarda cuatro horas. Los TQ están un paso por delante y logran cargar una batería de 630 Wh al 80% de su capacidad en una hora. El cargador rápido de Bosch alcanza solo el 40% de una batería de 500 Wh en una hora. Sin embargo, estas diferencias podrían deberse tanto a la química como a la forma en que se empaquetan las baterías o las corrientes de carga que permiten los fabricantes.

También se han hecho muchos progresos con respecto al reciclaje de baterías. Algunos proveedores de energía y nuevas empresas apuntan a una tasa de reciclaje que exceda el 50% de los elementos reciclables dentro de la batería (actualmente) prescritos por la UE. Hay métodos que incluso han aumentado esta cuota a más del 80%. El hecho de que la movilidad a través de (e-) bicicletas sea más compatible que nunca en todo el mundo es lógico. Eso no es solo para reducir las emisiones de CO2, sino también porque las baterías más pequeñas de una bicicleta eléctrica requieren menos recursos, producen menos CO2, son más baratas y pueden funcionar de manera más eficiente que las enormes baterías necesarias para alimentar un automóvil eléctrico. Leer sobre todos estos cócteles químicos hace que quieras darte un capricho, tomar una cerveza fría después del paseo con tus amigos. Estarás 100% recargado y actualizado.

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Palabras: Simone Giesler Fotos: Equipo E-MOUNTAINBIKE

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