Una onza de prevención vale una libra de cura – Cómo se está utilizando la EIS para mejorar la salud de las baterías en los vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos (EV) han estado ganando mucho impulso en los últimos años, impulsados por el cambio global hacia la energía limpia y el transporte sostenible.

Dado que producen cero emisiones de escape, los EV son significativamente mejores para el medio ambiente que sus contrapartes de gasolina y diésel. Esto convierte a los EV en una tecnología clave para descarbonizar el transporte por carretera, que es responsable de aproximadamente una sexta parte de las emisiones globales.

También tienen costos de operación y mantenimiento más bajos que los vehículos de combustión interna, lo que los hace mucho más eficientes y asequibles.

Con eso, la popularidad y adopción de los EV están creciendo significativamente, con casi uno de cada cinco automóviles vendidos en 2023 siendo eléctricos. Después de superar la marca de 10 millones en 2020, el número de autos eléctricos en la carretera alcanzó los 40 millones el año pasado.

Solo en 2023, las ventas de autos eléctricos fueron casi 14 millones, de los cuales el 95 % se concentraron en China, Europa y EE. UU. Como resultado de esta expansión, los EV ahora representan alrededor del 20 % de todas las ventas de autos nuevos a nivel mundial, y se espera que aumenten hasta el 50 % para 2030.

Sin embargo, no existe solo un tipo de EV; más bien, hay varios tipos:

• Vehículos Eléctricos de Batería (BEVs)
• Vehículos Eléctricos Híbridos Enchufables (PHEVs)
• Vehículos Eléctricos Híbridos (HEVs)
• Vehículos Eléctricos de Pilas de Combustible (FCEVs)

Entre estos, los EV impulsados por batería son los más comunes, representando el 70 % del parque de autos eléctricos en 2023.

Los BEV están completamente alimentados por electricidad y pueden recargarse desde fuentes externas. Son más eficientes que los vehículos híbridos y los híbridos enchufables.

Dado que las baterías son la fuente de energía de los EV, son el componente más importante de un vehículo eléctrico. Al reemplazar los motores de combustión interna, los EV de batería pueden reducir significativamente la contaminación, ayudar a integrar fuentes renovables como la eólica y la solar, y garantizar la sostenibilidad.

En lo que respecta a los EV, el estado de las baterías determina su rendimiento. Y es su tamaño, medido en kilovatios‑hora, lo que indica cuánta electricidad puede almacenar la batería y qué distancia puede recorrer el coche eléctrico con una sola carga.

Cuanto mayor sea la densidad energética de la batería, mayor será la autonomía por carga. Además, la carga rápida es esencial para que los propietarios de EV puedan recargar sus vehículos rápidamente.

Actualmente, los EV utilizan una variedad de baterías, incluidas las de ion de litio, que son las más comunes. Las de plomo‑ácido son una opción popular, particularmente en EE. UU, por su rentabilidad y larga vida útil, mientras que el litio‑azufre aumenta la capacidad de carga teórica.

Además de la creciente conciencia ambiental y los incentivos gubernamentales, los avances en la tecnología de baterías, en particular, que han hecho que los EV sean más eficientes y asequibles, están impulsando la adopción de vehículos eléctricos.

Así, las baterías juegan un papel crítico en los EV y en la transición más amplia hacia la energía limpia, lo que hace esencial tener una mejor idea de su desempeño y del estado en que se encuentran. Para ello, los investigadores han desarrollado una nueva tecnología que monitorea el estado de las baterías con alta precisión para maximizar su eficiencia y estabilidad a largo plazo.

Tecnología para el diagnóstico preciso de baterías de EV

Investigadores del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) crearon esta nueva tecnología para el diagnóstico preciso del estado de las baterías de EV, esencial para su gestión eficiente y uso seguro, utilizando solo pequeñas cantidades de corriente.

Este desarrollo fue anunciado la semana pasada por KAIST, que señaló que un equipo de investigadores liderado por los profesores Sang‑Gug Lee y Kyeongha Kwon de la Escuela de Ingeniería Eléctrica había desarrollado la tecnología de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS).

Esta tecnología EIS puede utilizarse para mejorar el rendimiento y la estabilidad de baterías de alta capacidad en vehículos eléctricos.

La espectroscopía de impedancia electroquímica es una herramienta poderosa que mide la magnitud de la impedancia y sus variaciones en una batería, lo que permite evaluar la eficiencia y la pérdida de la batería.

La impedancia de la batería es simplemente una medida de la resistencia al flujo de corriente dentro de la batería. Este método no intrusivo de prevención de fallas de la batería identifica signos tempranos de debilidad o deterioro y examina su rendimiento y condición.

Una herramienta importante para evaluar el estado de carga y la salud de la batería, también puede analizar cambios químicos o físicos, describir características térmicas, identificar las causas de fallas y predecir la vida útil de la batería.

Sin embargo, el equipo EIS convencional no solo es costoso sino también complejo, lo que dificulta su instalación, operación y mantenimiento.

Luego está el tema de las restricciones de precisión y sensibilidad, lo que significa que al aplicar perturbaciones de corriente de varios amperios a una batería, puede generar un estrés eléctrico significativo. Esto, a su vez, aumenta el riesgo de incendio o falla de la batería, dificultando su uso práctico.

Por lo tanto, para abordar todos estos problemas, el equipo de ingeniería de KAIST creó un sistema EIS de bajo corriente para diagnosticar el estado y la salud de baterías de EV altamente eficientes.

Este nuevo sistema puede medir la impedancia de la batería con precisión usando perturbaciones de corriente bajas, es decir, 10 mA. Durante el proceso de medición, la nueva tecnología EIS minimiza los efectos térmicos y los problemas de seguridad.

Otro beneficio de este sistema es que reduce la necesidad de componentes voluminosos y costosos. Por lo tanto, puede integrarse fácilmente en los vehículos.

El nuevo sistema EIS ha demostrado su éxito al determinar las propiedades electroquímicas de las baterías de EV bajo diferentes condiciones de operación. Esto incluye diversas temperaturas y niveles de estado de carga (SOC).

La fácil integración del sistema en el sistema de gestión de baterías (BMS) de los EV, junto con su alta precisión de medición y la reducción de complejidad y costo en comparación con los métodos EIS de alta corriente convencionales, lo hace realmente beneficioso para los EV.

Según el autor correspondiente, el profesor Kyeongha Kwon, el sistema también puede contribuir al diagnóstico de baterías y a mejoras de rendimiento para los sistemas de almacenamiento de energía (ESS).

Otros desarrollos en la condición y seguridad de baterías de EV

Dada la importancia de las baterías, los investigadores han estado trabajando en diferentes formas de obtener una mejor idea de su estado. Después de todo, la capacidad de las baterías de EV declina aproximadamente un 10 % en unos 6,5 años de operación continua. Aquí, la sobrecarga y la sobredescarga también contribuyen a este deterioro.

El año pasado, un equipo de investigadores de Michigan Engineering creó una fórmula para diagnosticar y monitorear una batería sin desarmarla. La fórmula, que también puede aplicarse a otros dispositivos fotónicos y electrónicos, funciona para cualquier combinación de materiales de batería.

Un método que los investigadores usan para investigar baterías es aplicar una corriente alterna débil, similar a la que proviene de un enchufe de pared pero mucho más tenue, para sondear la batería. En este proceso, la impedancia cambia según la frecuencia de la corriente alterna o la rapidez con que cambia de dirección.

Una medida clave es cómo varía la impedancia con la frecuencia, obtenida al barrer la frecuencia de baja a alta. Para lograr esto, se debe establecer una relación entre los materiales de la batería y su firma. Sin embargo, el equipo ideó su propia fórmula para describir la relación. Y una vez que la impedancia se mide en algunas frecuencias, la fórmula puede predecir la impedancia como función de la frecuencia para un amplio rango de frecuencias.

Según el equipo, la fórmula sirve como una forma de mostrar la impedancia del material usando solo unos pocos puntos de datos experimentales. Simplifica todo el proceso de modelado del flujo de electricidad a través de dispositivos fabricados con diversos materiales y tampoco necesita conocer de antemano la microestructura del material.

Puede ayudar además a diseñar electrolitos sólidos mejores, identificar las características de impedancia de otros componentes de las baterías y construir modelos de batería precisos para ofrecer un control más seguro y eficiente al cargar y descargar.

En ese momento, el equipo dijo que planea usar la fórmula para comprender y luego diseñar electrolitos de estado sólido con materiales mixtos, que pueden ofrecer mayor capacidad y mejor seguridad.

Los avances en el diseño estructural de baterías, materiales y sistemas de monitoreo continúan, lo que ha mejorado las medidas de seguridad para prevenir cortocircuitos internos y fugas térmicas. Para ello, los investigadores se están centrando cada vez más en el papel de los ánodos basados en silicio, particularmente la distribución de partículas de SiO dentro de la capa del ánodo, para lograr una mayor densidad energética mientras se controlan los efectos adversos durante el ciclo, mejorando así la seguridad y la longevidad.

En cuanto al diseño y ensamblaje de baterías, los adhesivos también están emergiendo como un componente crítico, ofreciendo ventajas como un rendimiento mejorado al optimizar la interfaz térmica entre las celdas de la batería y los sistemas de refrigeración, mayor flexibilidad de diseño al unir una variedad de materiales, mejor gestión de energía para la seguridad y ahorro de costos al simplificar los procesos de fabricación.

Los investigadores y las empresas también están aprovechando la IA para el descubrimiento de materiales de baterías y su fabricación. Aunque la tecnología de baterías de EV ha avanzado significativamente en los últimos años, aún existen varios problemas en cuanto a material, diseño, autonomía y sistemas de gestión de baterías.

El sistema de gestión de baterías (BMS) en un EV busca garantizar eficiencia, seguridad y longevidad al optimizar el rendimiento de la batería. Las estimaciones tradicionales de la batería respecto a su salud y carga para prever la degradación futura no han sido precisas, lo que ha llevado a algoritmos de aprendizaje automático para BMS que analizan datos en tiempo real para estimaciones precisas del estado de salud de la batería (SOH) y del estado de carga (SOC). El BMS luego utiliza estas estimaciones para optimizar el rendimiento de la batería.

El mercado global de formación y pruebas de baterías de EV es en realidad de rápido crecimiento, y se valoró en 1.9 mil millones de dólares en 2023. Se proyecta que este mercado crezca a una tasa compuesta anual (CAGR) de más del 17,6 % en los próximos ocho años, alcanzando los 7,8 mil millones de dólares para 2032.

Este crecimiento está impulsado por la creciente adopción de EV y la posterior producción de baterías, los avances tecnológicos en la química de baterías, los requisitos de seguridad y fiabilidad de las baterías, y el mayor enfoque en la sostenibilidad y la reducción de emisiones de carbono.

Hace un par de meses, el Departamento de Energía de EE. UU (DOE) también anunció 43 millones de dólares en financiación para proyectos que avanzarán la investigación, el desarrollo y la implementación en áreas críticas de baterías. El objetivo de la iniciativa es impulsar innovaciones en la fabricación de baterías de EV de bajo costo, reducir fallas, mejorar la seguridad de las baterías y fortalecer la cadena de suministro nacional de materiales de baterías.

Esto está en línea con el Plan Nacional de EE. UU para la Descarbonización del Transporte, que apunta a eliminar todas las emisiones del sector del transporte para 2050 mediante el avance de tecnologías de baterías que alimenten EV seguros y eficientes de cero emisiones.

Empresas que ayudan a avanzar la gestión de baterías de EV

Ahora, echemos un vistazo a las empresas que están trabajando en la intersección de la tecnología de salud de baterías de EV, los sistemas BMS y los avances de EIS, todos cruciales para sostener el mercado de EV y optimizar la vida útil y la seguridad de las baterías.

Tesla de Elon Musk Tesla (TSLA ) está entre las más prominentes, y está profundamente invertida en baterías de alta capacidad y larga vida para EV. Con las acciones de Tesla subiendo un 4,83 % este año, su capitalización de mercado se sitúa actualmente en 830,7 mil millones de dólares.

Luego está la corporación QuantumScape Corporation (QS ) con una capitalización de mercado de 3,24 mil millones de dólares, que desarrolla baterías de litio‑metal de estado sólido para EV, mientras que la corporación Enovix Corporation (ENVX ) con una capitalización de mercado de 1,9 mil millones de dólares está desarrollando baterías de ion de litio con ánodo de silicio avanzado. La corporación Albemarle Corporation (ALB ) con una capitalización de mercado de 11,18 mil millones de dólares es un productor líder de litio y está involucrada en la mejora de la eficiencia y seguridad de las baterías. Las acciones de QS, ALB y ALB han caído un 6,47 %, 34,14 % y 13,14 % este año, respectivamente.

Analog Devices (ADI ) es una empresa de 114 mil millones de dólares cuyas acciones han subido un 15,67 % en lo que va del año. Mientras tanto, ofrece soluciones de sistema de gestión de baterías (BMS) para baterías de EV.

Ahora, echemos un vistazo más profundo a otra empresa relacionada que ha tenido un buen desempeño este año.

General Motors Company

Las acciones del gigante automotriz con una capitalización de mercado de 59,2 mil millones de dólares han experimentado un buen repunte este año. Con poco más de dos meses restantes en 2024, el precio de GM ha subido un 46,77 % y cotiza a 52,9 dólares. Tiene un EPS (TTM) de 9,37 y una relación P/E (TTM) de 5,63, junto con un rendimiento de dividendo del 0,91 %.

General Motors (GM ) está involucrada en el diseño, construcción y venta de automóviles, camiones y piezas automotrices, además de ofrecer servicios habilitados por software. También está liderando avances en tecnología de baterías, seguridad y rendimiento para su flota de EV a través de la plataforma Ultium.

Ultium fue presentado por primera vez en 2020, y su directora ejecutiva, Mary Barra, lo llamó:

“Una estrategia de EV multimarca y multisegmento con economías de escala que rivaliza con nuestro negocio de camiones de gran tamaño, con mucho menos complejidad y aún más flexibilidad.”

Durante una reunión reciente, Barra anunció que la marca de baterías Ultium está desapareciendo, pero afirmó que las ventas de EV mejorarán. La gama de EV de GM incluye Chevy Equinox y Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq y Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, vicepresidente de GM de la celda de batería, sin embargo, reconoció la importancia de Ultium para ayudar a lanzar la amplia gama de modelos de EV totalmente nuevos, señalando:

“(La compañía) está pasando de una solución única para todos a baterías específicas para cada programa.”

GM ahora está considerando varias químicas de baterías para poder cumplir mejor con las exigencias de rendimiento.

La compañía automotriz también está planeando construir un centro de prototipado de baterías en Michigan que abrirá en 2027, lo que puede ayudar a reducir el tiempo de desarrollo de baterías en hasta un año.

Esta semana, GM informó sus resultados financieros del tercer trimestre de 2024, los cuales revelaron que sus ingresos del trimestre fueron de 49 mil millones de dólares, un aumento del 10 % interanual, mientras que el flujo de caja libre automotriz ajustado fue de 5,8 mil millones de dólares, un incremento de 900 millones de dólares respecto al año anterior. Durante este período, GM realizó recompras de acciones por valor de 1 mil millones de dólares.

La compañía vio crecer su cuota de mercado minorista en EE. UU en el tercer trimestre, mientras que el entorno operativo en China siguió siendo desafiante. Sus costos de garantía también aumentaron debido a presiones inflacionarias.

En cuanto a los EV, la compañía está en camino de producir 200 000 EV en Norteamérica este año. Aunque avanza, el negocio de EV de GM sigue trabajando para lograr rentabilidad y espera una mejora de entre 2 mil millones y 4 mil millones de dólares en las pérdidas de EV.

Conclusión

A medida que las transiciones hacia la energía limpia se aceleran rápidamente, impulsadas por políticas gubernamentales, incentivos y estrategias industriales, el mundo ha pasado a los vehículos eléctricos. El rápido crecimiento de los EV subraya el papel esencial de las baterías y, como tal, exige alta eficiencia y seguridad. Aquí, tecnologías como la espectroscopía de impedancia electroquímica y los sistemas innovadores de gestión de baterías pueden ayudar a perfeccionar cómo monitoreamos la salud de las baterías de EV y contribuir a un uso de EV más seguro y sostenible.

A medida que más estudios, empresas y gobiernos se centren en mejorar el diagnóstico de baterías de EV, veremos baterías de mayor duración, diseños más seguros y almacenamiento de energía eficiente, todo lo cual es crucial para que los EV logren una adopción masiva. Estas innovaciones pueden ayudar además a alcanzar ambiciosos objetivos climáticos globales, conduciendo a un futuro más limpio y sostenible.

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