El fosfato de hierro y litio será la próxima gran novedad en baterías para vehículos eléctricos

Aug 28, 2023

El BMW iX se prueba con el prototipo de batería de fosfato de hierro y litio Our Next Energy

Las baterías de fosfato de hierro y litio (LFP) ya alimentan la mayoría de los vehículos eléctricos en el mercado chino, pero apenas están comenzando a abrirse paso en América del Norte. En realidad no son nuevos, ya que se inventaron aquí, pero hasta hace poco los fabricantes de automóviles que vendían vehículos eléctricos aquí los habían evitado porque los compradores de automóviles querían más autonomía de la que podían ofrecer razonablemente. Todo eso está en proceso de cambio y veremos mucha más LFP aquí en los próximos años y se espera que la brecha de rendimiento se cierre gracias a empresas como Our Next Energy (ONE) y Mitra Chem.

Casi todos los vehículos eléctricos vendidos en América del Norte utilizan baterías de iones de litio con cátodos que comprenden alguna variación de la química del níquel-cobalto. Estas baterías han ofrecido la mejor combinación de autonomía, potencia y tamaño, pero tienen un precio elevado. El níquel y el cobalto cuestan actualmente más del doble del precio que tenían en 2021 tras los importantes aumentos de precios a raíz de la invasión rusa de Ucrania y el aumento de la demanda de vehículos eléctricos. Los productos químicos de níquel-cobalto también son algo propensos a sufrir fugas térmicas si están dañados físicamente o tienen defectos de fabricación, lo que ha llevado a seis retiros diferentes en los últimos tres años, incluido el Chevrolet Bolt.

La fuga térmica es causada por la presencia de oxígeno en las mezclas de níquel y cobalto que se libera cuando la celda sufre un cortocircuito interno y se calienta. Dado que los incendios requieren combustible, oxígeno y una fuente de ignición, quitarle al fuego cualquiera de estos elementos lo apagará. Sofocar un fuego con agua o espuma está diseñado para privar al fuego de oxígeno para extinguirlo. Sin embargo, una vez que se inicia un incendio en una batería de níquel-cobalto, produce su propio oxígeno, razón por la cual estos incendios son tan difíciles de extinguir.

Las baterías LFP no contienen O2, por lo que, si bien pueden liberar algunos gases cuando se produce un cortocircuito, no arden como una batería de níquel. Eso los hace mucho más seguros y duraderos, aunque a costa de una menor densidad energética. Normalmente, una batería LFP fabricada con una arquitectura similar a una batería de níquel tiene entre un 30 y un 40 % menos de densidad de energía, pero puede durar miles de ciclos de carga y soportar el abuso de una carga más rápida.

Nuestra próxima energía

ONE, con sede en Novi, Michigan, fue fundada en 2020 por Mujeeb Ijaz, un ex ejecutivo de Ford, A123 Systems y Apple. El objetivo de ONE era fabricar baterías más seguras, más baratas y más sostenibles y afirman haber logrado avances significativos con su último paquete de baterías Aries II. El Aries I original ya se encuentra en producción de bajo volumen y está siendo utilizado por Motiv Power Systems, con sede en California, para sus vehículos comerciales eléctricos, así como en aplicaciones de almacenamiento estacionario.

El Aries II es una versión mejorada e Ijaz afirma que ahora se encuentra dentro del 6% de la densidad de energía de los principales paquetes de baterías de níquel-manganeso-cobalto para vehículos eléctricos con un costo un 25% menor y sin necesidad de níquel ni cobalto. ONE ha logrado esto en parte mediante el uso de una arquitectura de celda a paquete (C2P) que permite instalar muchas más celdas en el mismo gabinete de paquete.

Los paquetes modulares típicos tienen una disposición de caja en caja donde las celdas se instalan en un gabinete de módulo que luego se instala en el paquete más grande. Estos gabinetes ocupan espacio en el paquete y requieren más conexiones y cableado que aumentan el costo. En un paquete modular típico, sólo alrededor del 30-35% del volumen está compuesto de material celular activo que almacena energía. El Aries II tiene todas las celdas insertadas directamente en el gabinete y unidas con disipadores de calor y la placa de enfriamiento, llenando más espacio. La proporción de llenado de material celular activo es superior al 70%.

Se espera que el paquete Aries II permita que los futuros vehículos eléctricos ofrezcan hasta 350 millas de autonomía con una carga. Pero ONE ya ha demostrado la capacidad de hacer que un Tesla Model S recorra más de 750 millas con su prototipo original de batería Gemini. El Gemini utiliza dos químicas, LFP y una celda de manganeso sin ánodo. Dado que la mayoría de las personas sólo utilizan una parte de la autonomía a diario y sólo ocasionalmente necesitan la autonomía máxima, el Gemini está diseñado como un extensor de autonomía.

Las celdas LFP se intercalan con celdas que utilizan un diseño de litio-metal a base de manganeso. Estas células tienen una densidad de energía mucho mayor que la LFP, pero tienen una potencia y un ciclo de vida más bajos. Si bien las celdas LFP se pueden cargar más de 2000 veces, estas celdas sin ánodo solo pueden durar un par de cientos de ciclos. Cuando las celdas LFP están a punto de agotarse, se pueden recargar con celdas sin ánodos para ampliar el alcance. Dado que estas celdas no utilizan recubrimiento de grafito en el colector de corriente de lámina de cobre, se elimina la mitad del costo de fabricación y el equipo asociado, lo que reduce significativamente el costo total. Ijaz estima que estas celdas pueden bajar a $50/kWh y el costo combinado puede ser de $75/kWh. El paquete Gemini está dirigido a aplicaciones con un alcance de 600 millas.

ONE actualmente tiene su primera fábrica en construcción en Van Buren, Michigan, y la primera fase está lista para comenzar la producción a fines de 2023. La primera fase es un área de producción piloto que podrá producir hasta 10 MWh de celdas por año para validación, aplicaciones de producción temprana, capacitación de la fuerza laboral y desarrollo de la cadena de suministro. Está previsto que la Fase II esté terminada a finales de 2024 con una capacidad de 2,7 GWh y la Fase III el año siguiente, con una capacidad total de 20 GWh.

Inicialmente, ONE se centra en atender los mercados de vehículos comerciales y almacenamiento en red para probar sus productos y procesos con programas de vehículos de mayor volumen destinados a 2026-27. Ya tiene un acuerdo de desarrollo conjunto con BMW y ha equipado un iX con una batería Aries II para realizar pruebas.

Mitra Chem

Ford ya se ha comprometido a utilizar células LFP en algunos de sus vehículos a partir de este año con la gama estándar Mustang Mach-E seguida de la F-150 Lightning en 2024. También ha comenzado la construcción de una planta de células LFP de 40 GWh en Marshall, Michigan. GM, sin embargo, ha estado un poco más tranquila sobre sus planes de LFP hasta ahora. GM ha realizado una inversión de 60 millones de dólares en Mitra Chem, una startup con sede en Mountain View, California, para ayudarla a desarrollar productos químicos LFP de próxima generación.

Mitra Chem no planea producir celdas o baterías, sino que se centra en desarrollar nuevas combinaciones de materiales, incluido el fosfato de hierro, manganeso y litio (LMFP). Una parte clave de lo que está haciendo Mitra Chem es aprovechar los sistemas de aprendizaje automático para simular y probar miles de sustancias químicas potenciales con el fin de encontrar las soluciones más prometedoras.

El objetivo es acelerar el proceso de diseño y desarrollo para ayudar a superar a la competencia y encontrar celdas de mayor rendimiento con mayor durabilidad a un costo menor. Las instalaciones de I+D de Mitra Chem pueden simular y luego producir volúmenes de material catódico desde gramos hasta kilogramos para realizar pruebas. Una vez que se identifiquen combinaciones viables, trabajarán con GM para escalar a volúmenes más altos para posibles pruebas de vehículos.

El costo es un factor clave a la hora de centrarse en las sustancias químicas a base de hierro porque la realidad es que la mayoría de los vehículos eléctricos disponibles en la actualidad siguen siendo demasiado caros para que la mayoría de la gente pueda costearlos. La durabilidad y la seguridad a largo plazo también son preocupaciones importantes.

La adición de manganeso a la mezcla de LFP tiene como objetivo mejorar el rendimiento en climas fríos de las células a base de hierro. Al igual que el hierro y el fósforo, el manganeso es económico, estable y está fácilmente disponible en la mayor parte del mundo.

Gil Golan, vicepresidente de Aceleración de Tecnología y Comercialización de GM, no dio un marco de tiempo específico sobre cuándo esperar células basadas en hierro en los vehículos eléctricos de GM, excepto decir entre mediados y la segunda mitad de la década.

Si bien China tomó la iniciativa en la comercialización de baterías LFP, es probable que en los últimos años de esta década la mayoría de los fabricantes de automóviles ofrezcan vehículos en América del Norte con baterías a base de hierro como al menos una de las opciones y con arquitecturas C2P y químicas refinadas. deberían ofrecer un rendimiento superior a las baterías de níquel actuales a un costo menor.