¿Podrían los vehículos eléctricos para climas fríos convertirse en una opción de vehículo?

Enfriamiento de la Tasa de Adopción de Vehículos Eléctricos

Electrificación es una tendencia que está conquistando el mundo. Esto es cierto para los vehículos eléctricos, así como para la calefacción y los procesos industriales. Sin embargo, aún no todo es perfecto, ya que las baterías clásicas de iones de litio sufren una fuerte caída en el rendimiento a bajas temperaturas. Por lo tanto, aunque no es realmente un problema en California o China, dos focos de adopción de VE, puede ser serio en latitudes del norte.

A pesar de estas limitaciones, vemos que las tasas de adopción de VE son altas en países como Noruega (72 % VE y 14 % híbridos), lo que indica una gran disposición de la población a cambiar a los VE.

Fuente: Roland Berger

Sin embargo, el caso de los vecinos de Noruega podría indicar que sin subsidios masivos similares a los noruegos, la adopción podría estabilizarse por debajo del 50 % en la región.

Si los sistemas de baterías mejoran el rendimiento en el frío, la región y otros países similares podrían estar entre los primeros en alcanzar el 100 % de VEB (Vehículos Eléctricos de Batería).

Hasta ahora, la principal esperanza de mejorar el rendimiento a bajas temperaturas se basaba en baterías de iones de sodio, especialmente con el sólido progreso logrado por la empresa china la empresa china CATL (siga el enlace para el informe correspondiente). Pero un nuevo concepto podría abrir el camino para baterías de iones de litio específicamente adaptadas a condiciones frías.

Fue investigado por investigadores chinos de la Universidad Donghua (China), la Universidad Fudan, la Universidad de Qingdao y la Universidad de Mongolia Interior. Recientemente publicaron su resultado en Angewandte Chemie bajo el título “Comportamiento de Expansión Térmica Negativa que Permite un Buen Rendimiento de Almacenamiento Electroquímico de Energía a Bajas Temperaturas¹”.

Problemas de las Baterías de Iones de Litio con el Frío

Las baterías de iones de litio siguen siendo la forma más potente y densa en energía disponible hoy a la escala requerida para los VE. Esto podría cambiar en el futuro con baterías de estado sólido. O quizá baterías de iones de litio mejoradas, como las baterías de panal serán tan eficientes como las tecnologías de estado sólido.

Pero en ambos casos, el problema del rendimiento en clima frío persiste. La razón es que el clima frío, especialmente por debajo de cero, ralentiza la difusión de iones de litio dentro del material del electrodo. Por ahora, esto se ha considerado un límite fundamental de la tecnología, impulsado por la física de cómo reaccionan los iones de litio a bajas temperaturas.

Las únicas alternativas en los VE han sido usar la energía de la batería para mantenerla caliente (desperdiciando energía) o instalar paquetes de baterías lo suficientemente grandes como para que la pérdida de autonomía sea aceptable para el usuario. Al menos hasta ahora.

Electrodos de Expansión Térmica Negativa (ETN)

El concepto clave usado por los investigadores es utilizar una característica llamada expansión térmica negativa para el material del electrodo, o ETN. Estos son materiales que se expanden cuando se enfrían, yendo en dirección opuesta a la mayoría de los materiales, especialmente los metales.

Un ejemplo cotidiano es el agua, que se expande al congelarse, haciendo que el hielo sea menos denso que el agua líquida.

Las pruebas se realizaron usando fosfato de titanio y litio LiTi2(PO4)3 o “LTP”.

LTP

Este material está formado por una estructura cristalina que forma una red 3D de octaedros TiO6 y tetraedros PO4. Esto crea una estructura abierta y flexible que contiene tanto “cavidades” como “canales”, donde los iones de litio pueden alojarse.

Fuente: Angewandte Chemie

Al enfriarse, la estructura cristalina se estira a lo largo de uno de sus ejes cristalinos. Esto aumenta las distancias entre los átomos de oxígeno, ampliando las cavidades en la red.

El mayor espacio en los cristales fríos facilita el almacenamiento y transporte de los iones de litio.

Rendimiento Fuerte en Frío

El aumento del tamaño de las cavidades no anula por completo la menor movilidad de los iones de litio, pero ayuda mucho. Los investigadores encontraron que a −10 °C, la tasa de difusión de los iones de litio seguía siendo el 84 % del valor obtenido a 25 °C. También probaron cuán eficiente y estable sería una batería de este tipo.

Las pruebas electroquímicas en LTP recubierto de carbono a −10 °C mostraron un buen rendimiento electroquímico con alta capacidad y alta capacidad de tasa. La durabilidad de la batería también fue alta, sin degradación significativa de la capacidad de retención tras 1000 ciclos de carga/descarga (96,8 % de retención de capacidad).

Aplicaciones Futuras

Este nuevo tipo de electrodo deberá investigarse para su potencial en VE diseñados específicamente para climas fríos.

Esto probablemente será un requisito para los VE que tengan que operar en regiones con inviernos severos, como Canadá, Escandinavia, Rusia, zonas montañosas, etc. Al menos para convertirse en el estándar, y no solo en un coche secundario opcional para conductores con suficiente poder adquisitivo.

También es posible que existan otros materiales de electrodo de expansión térmica negativa que muestren propiedades electroquímicas aún mejores. Por lo tanto, lo más probable es que se necesite más investigación para encontrar el material de electrodo ideal para climas fríos.

A largo plazo, esta tecnología también podría tener aplicaciones importantes en la exploración espacial, con vehículos y sistemas de almacenamiento de energía operando en órbita, la Luna o Marte, que probablemente requieran un rendimiento sólido incluso en entornos extremadamente fríos.

Invertir en Tecnologías de Baterías Avanzadas

Las baterías están en el centro de la tendencia de electrificación, un esfuerzo multimillonario que busca eliminar los combustibles fósiles de nuestras fuentes de energía.

Puede invertir en empresas relacionadas con baterías a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, encontrará nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como en muchos otros países.

Si no está interesado en seleccionar empresas específicas de baterías, también puede explorar ETFs de baterías como Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), el Lithium & Battery Tech ETF (LIT) de Global X, o el WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, que proporcionarán una exposición más diversificada para capitalizar el creciente sector de baterías.

CATL (300750.SZ)

Como se ha comentado, CATL es un líder tecnológico con baterías avanzadas de iones de litio tipo panal y diseños de iones de sodio.

La empresa es el líder mundial en fabricación de baterías, produciendo más de la mitad del volumen global de baterías. Está presente en cada paso de la cadena de suministro de fabricación de baterías.

Esto es cierto para las baterías de iones de litio, donde la compañía ha sido un líder establecido durante mucho tiempo. También es fuerte en baterías LFP (fosfato de litio‑hierro), con el diseño mejorado recientemente anunciado que puede añadir 600 km de autonomía en solo 10 minutos. En total, la autonomía podría superar los 1 000 km (600 millas), eliminando totalmente la “ansiedad de autonomía” para los futuros propietarios de VE.

En paralelo, CATL también ha anunciado en el pasado avances impresionantes en muchos tipos de baterías :

• Una batería ultra‑larga vida de 12 000 ciclos para almacenamiento de energía a escala de servicios públicos, con 18 000 ciclos como objetivo a largo plazo.
• Una batería con una densidad de energía de 500 Wh/kg, potencialmente habilitando la electrificación de aviones de pasajeros.
• Producción masiva de baterías de iones de sodio de 160 Wh/kg, con un objetivo de 200 Wh/kg.

Fuente: CATL

CATL ha invertido 3.25 B en capacidades de reciclaje de baterías en China. Ha logrado una notable tasa de recuperación del 99,6 % para níquel, cobalto, manganeso y 91 % para litio.

Gracias a su escala, enfoque y logros en I+D, es probable que CATL esté a la vanguardia de la innovación, fabricación y reciclaje de baterías.

Esto lo convierte en un socio clave para los fabricantes de VE, incluidos Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc., con Hyundai añadido recientemente a la creciente lista de alianzas estratégicas de CATL.

Además, las lecciones aprendidas en una química pueden aplicarse a otra. Por lo tanto, el descubrimiento discutido en este artículo podría ser el origen de combinaciones sorprendentes; por ejemplo, podemos imaginar algunas ideas nuevas:

• Electrodo de expansión térmica negativa construido con una estructura tipo panal.
• Aplicar la expansión térmica negativa a la tecnología de iones de sodio para crear la batería definitiva resistente al frío.
• Usar la expansión térmica negativa en las baterías ultra‑estables a escala de servicios públicos de CATL, capturando el mercado de la red eléctrica de países fríos.

Las economías de escala de producir ya la mitad de las baterías del mundo también son probablemente aplicables a toda la compañía, independientemente de la tecnología específica usada en un producto individual.

Así, cuanto más progreso se logre en la tecnología de baterías en general, más probable será que CATL pueda integrarlo con sus diseños existentes, creando una mayor demanda, lo que a su vez aumenta aún más las economías de escala, en un bucle de retroalimentación positivo.

Por último, los inversores deben ser conscientes de la creciente brecha entre EE. UU. y China, con CATL como posible víctima colateral. Ha sido añadido a la lista de Empresas Militares Chinas (CMC) del Departamento de Defensa de EE. UU.

CATL declaró en un comunicado que nunca ha participado en actividades o negocios relacionados con el ámbito militar, y que su inclusión en la lista CMC fue “un error”.

La compañía señaló que no espera un impacto adverso sustancial en su negocio, y que está dialogando con el Departamento de Defensa de EE. UU. para abordar la situación, incluso mediante acciones legales si fuera necesario.

Fast Market

Esta determinación no impone sanciones inmediatas a CATL u otras compañías de la lista, pero aún podría afectar el precio de sus acciones y las futuras exportaciones de CATL a los mercados occidentales.

(También puede leer nuestro informe más extenso de septiembre de 2024, dedicado totalmente a CATL, para profundizar en la historia y tecnología de la compañía).

Referencia del Estudio:

^{1. Li, Q., Yang, L., Liang, G., Yu, J., Huang, S., Wu, L., Lin, C., & Che, R. (2024). Comportamiento de Expansión Térmica Negativa que Permite un Buen Rendimiento de Almacenamiento Electroquímico de Energía a Bajas Temperaturas. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.202419300}