Todo eléctrico: por qué un futuro limpio requiere de automóviles y más cosas eléctricas

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Actualizado el Wed Mar 03 2021

¿Qué tienen en común los teléfonos, los refrigeradores y los televisores? Utilizan energía en forma de electricidad.

Pero hay otras cosas que utilizan directamente combustibles fósiles, como el petróleo y el gas. ¿Cuáles crees que son las dos cosas que utilizan más petróleo o gas?


¿Por qué queremos hacer (casi) todo eléctrico? Porque los clean Nuclear reactors, solar panels and wind turbines all produce electricity Para usar esta electricidad limpia, debemos ser capaces de alimentar el transporte y la calefacción con electricidad en lugar de con petróleo o gas.

As a side note, turning mobile emissions (e.g. from cars) into stationary ones (from power plants) makes using carbon capture a lot easier too. But more about that in our "Industrial Innovation" course!

Convertir electricidad a calor tiene casi 100% de eficiencia. Lo único que nos impide es el precio increíblemente bajo del gas. Por lo tanto, necesitamos hacer que la electricidad limpia sea más barata. Ten en cuenta que no tiene sentido usar electricidad en lugar de gas si la electricidad proviene de combustibles fósiles.

¿Y qué pasa con el transporte?

¡Las baterías podrían reemplazar el 71% de los combustibles del transporte!

Baterías vs. combustible para aviones

Pero, ¿qué pasa con los automóviles, camiones, autobuses, etc.? Los automóviles eléctricos ya existen, y con algunas mejoras en el rendimiento y la vida útil de las baterías, los camiones eléctricos estarán también a nuestro alcance. Por suerte, este tipo de transporte terrestre representa la mayor parte de las emisiones de todo el transporte.

Porcentaje de emisiones producido por el transporte

Las mejoras en el rendimiento, la vida útil y el costo de las baterías son el foco de la transición al transporte eléctrico. Si esto te parece interesante, ¡sigue leyendo! Hablaremos con más detalle del funcionamiento de las baterías y luego sobre lo que se puede hacer para mejorarlas.

¿Qué son las baterías?

Batería de iones de litio

Hay muchos tipos de química de batería, pero en su mayoría consisten en componentes que cumplen los mismos roles fundamentales:

  • Átomos de litio: cada uno de estos átomos puede perder un electrón para convertirse en un ion de litio positivo (¡De ahí viene el nombre “batería de iones de litio”!).
  • Cátodo: material que atrae el litio (este es el lado positivo de la batería).
  • Ánodo: material que puede almacenar los iones de litio y electrones, normalmente se lo llama grafito (este es el lado negativo de la batería).
  • Separador: una pared entre el cátodo y el ánodo. Este puede ser atravesado por los iones, pero bloquea a los electrones.
  • Electrolitos: material donde se alojan el cátodo y el ánodo. No tiene carga, por lo que no interactúa con el resto de la batería, y puede ser líquido o sólido.

Veamos esto con más detalle.

¿Cómo funciona la carga?

En pocas palabras, la carga consiste en utilizar la energía para hacer pasar el litio del cátodo positivo al ánodo negativo.

¿En qué forma se almacena la energía en una batería?


Carga de una batería de iones de litio

Cuando una batería vacía se conecta a otra fuente de energía, un electrón se desprende de cada átomo de litio y comienza a fluir a través de la fuente de energía desde el cátodo hasta el ánodo.

¿Por qué?


Cuando un electrón se desprende del litio, deja iones de litio con una carga positiva. Estos iones con carga positiva son atraídos por el ánodo que ahora tiene carga negativa y contiene electrones. Entonces, los iones atraviesan el separador hacia al ánodo.

El grafito del ánodo actúa como el pan de un sándwich, y mantiene a los iones de litio y los electrones separados entre sus capas hasta que la batería se descarga. Este es un estado inestable: los iones de litio realmente quieren unirse a sus electrones.

Ánodo

¿Por qué los electrones y los iones de litio no vuelven a través del separador?


¿Cómo funciona la descarga?

Descarga de una batería de iones de litio

Cuando el ánodo y el cátodo se conectan mediante un cable, los iones de litio fluyen de vuelta a través del separador, mientras que los electrones toman el camino de vuelta a través del circuito externo. En el cátodo, se recombinan y vuelven a un estado estable.

Cuando los electrones regresan a través del cable, crean una corriente eléctrica. ¡Esta corriente puede utilizarse para encender una bombilla, cargar tu teléfono u otros dispositivos!

¿Por qué litio?

De todos los elementos que conocemos, el litio es uno de los más capaces de liberar electrones. En cambio, otros materiales son más propensos a tomar los electrones. Esto se debe en gran parte a las configuraciones de sus electrones.

¿Por qué? Los átomos están hechos de un centro (llamado núcleo) y de electrones. Los electrones rodean el núcleo formando capas de electrones. Los átomos quieren que sus capas estén "llenas". Incluso pueden compartir sus electrones con otros átomos para que esto ocurra. Esta regla es la esencia del funcionamiento de las baterías.

Capas de electrones de litio y flúor

Mira estos dos átomos: litio y flúor. ¿Cuál de los dos crees que será más capaz de dar electrones?


Para el flúor, es más fácil tomar un electrón que dar siete. Para el litio, es más fácil dar uno.

¿Podemos mejorar las baterías?

Como hemos dicho, los coches eléctricos ya están disponibles comercialmente y son útiles. Sin embargo, siguen siendo relativamente caros y siempre es bueno tener mejoras de rendimiento. Los camiones están cerca de la realidad, pero es poco probable que los aviones y buques eléctricos se utilicen con la tecnología de batería actual. ¿Podríamos hacerlo también posible?

Algunos aspectos clave que realmente nos gustaría mejorar en las pilas son:

Mejoras en las baterías

La mayoría de las tecnologías tienen límites físicos. Por ejemplo, los paneles solares comerciales hoy en día absorben un 20% de la luz solar que reciben. En teoría, podríamos ser capaces de construir paneles solares que capten el 100% de la luz solar que reciben, pero claramente nunca más del 100%. Ese es un límite teórico.

Límites teóricos

Aumentar la cantidad de ciclos de carga que sobrevive una batería no tiene ningún límite teórico. ¿Y en la realidad? Hoy en día, las baterías sobreviven miles de ciclos, pero las investigaciones recientes podrían aumentar esto en un factor de 2 a 3. ¡Se acercan tiempos emocionantes!

¿Pero qué pasa con su peso y tamaño?

¿Baterías más ligeras y pequeñas?

Las pilas modernas pueden caber alrededor de 250Wh de energía en 1kg de batería. Para comparar, los combustibles como el diesel o el queroseno pueden contener 13.000Wh/kg!

Baterías vs. combustible líquido

¿Cómo podemos mejorar esto? Comencemos con los límites teóricos para ver si vale la pena el esfuerzo. No podemos apuntar más alto que el mejor resultado absoluto, ¡por lo que este siempre es un buen primer paso!

Lo primero que hay que mirar es cuánto pesa cada componente de una batería:

Peso de la batería por componente

Paso 1: Vamos a deshacernos de todo el material innecesario. Cada componente, excepto el cátodo y el ánodo, está ahí para ayudar (en el mundo real lo necesitamos, pero en teoría, no). Observa que el peso del litio se incluye en el peso del cátodo y el ánodo.

¿Cuánto peso quedaría si solo conservamos el ánodo y el cátodo? (Pista: mira los números de arriba)


¿Podemos, en teoría, también abandonar el ánodo?


Tenemos que recoger el litio en algún lugar, pero para eso está todo el anodo. Hay formas de hacerlo sin un anodo.

Porque estamos buscando el límite theoretical, seamos extremadamente optimistas y digamos que funcionan sin cambios en otros componentes y podemos reducir efectivamente el peso del ánodo a cero. Ahora, ¿cuánto queda del peso original?


Si pudiéramos construir una batería sin las partes de apoyo y un anodio sin peso, podríamos reducir el peso a 41% de lo que pesan las pilas actuales, dándonos una energía específica de 250/0. 1 = 609Wh/kg.

Ahora solo nos queda el cátodo y el ánodo sin peso. ¿Qué más podemos hacer?


¿Cuál es el mejor cátodo posible?

Lo ideal es elegir materiales que tengan un peso mínimo y una gran atracción al litio.

Aquí se muestran algunos materiales que se están explorando como opciones de cátodos más livianos, junto con su máxima energía específica teórica:

Energía específica de los tipos de baterías y de la gasolina

¡Parece que Lithium-O₂ podría hacer baterías tan ligeras como la gasolina!

¿Es realmente posible Li-S & Li-O₂?

¿Cuáles de estas propiedades debería tener cualquier cátodo?


El tipo más común de cátodo que se utiliza hoy en día es el Oxido de Cobalto de Lithium (LiCoO2). Es bastante pesado, pero funciona. Por el contrario, las "mejores" alternativas de las que hablamos aquí todavía están siendo desarrolladas.

Lithium-Sulfur ya están disponibles, pero aún no a escala masiva.

Las pilas Lithium-O2 son más complicadas que las pilas Li-S, pero son posibles. No sabemos aún si podemos hacer que funcionen lo suficientemente bien como para ser prácticamente útiles.

El verdadero distribuidor, sin embargo, es que hemos estado hablando de números theoretical. Como recuerdan, hemos arrancado todos los componentes que no son el catódico. El cátodo solo constituía el 41% de la masa total, así que incluso si alcanzamos el mínimo teórico de masa catódica, el otro 59% de la masa de la batería de hoy en día todavía estaría ahí. Esto significa que obtendríamos menos de una mejora de 2x, ¡incluso si el catódico no pesara nada!

¡Vaya! La investigación es difícil, pero con una gran cantidad de poder (e inversión), estas tecnologías están mejorando paso a paso! Los conocimientos y los materiales que mantienen juntas las pilas también se vuelven más ligeros y los investigadores están progresando constantemente.

La conclusión principal de esto es: es posible que nunca tengamos baterías con la misma energía específica que la gasolina, pero podríamos obtener baterías que contienen más de dos veces, Tal vez incluso entre 3 y 5 veces cantidad de energía por kg que las pilas de hoy

Cómo hacer que los automóviles y camiones eléctricos sean más baratos

El precio de las baterías de iones de litio ha disminuido de una manera rotunda durante los últimos años, y se estima que va a seguir bajando.

Precio de las baterías

Esto se debe en parte a la innovación, pero también a la producción en escala. Hoy en día, estamos construyendo muchas más baterías que hace unos años, y eso permite a la industria utilizar métodos de producción en masa que hacen que todo el proceso sea más barato. La compañía Tesla, uno de los mayores productores de baterías del mundo, está construyendo enormes fábricas para aumentar la automatización y la producción, y reducir el costo.

¿Podemos usar baterías para resolver el problema de almacenamiento de energía solar y eólica?

Para el transporte eléctrico, la densidad de energía y la energía específica son muy importantes. Sin embargo, para el almacenamiento a gran escala en red, la escalabilidad y el costo son mucho más importantes. ¿Por qué? Porque necesitamos almacenar mucha energía. Veamos los números.

Según el precio actual de producción de unos 150 dólares/kWh del almacenamiento de baterías, ¿cuánto costaría construir baterías para almacenar la cantidad de energía que se utiliza en el mundo en un día?


Nos encantaría que este fuese un número más bajo, pero aquí es donde estamos. 70 billones de dólares equivalen a más del 80% del total del PIB mundial del 2018. Esto significa que producir la cantidad de baterías suficiente para mantener un día de electricidad para todo el mundo costaría un 80% más que todos los bienes producidos en 2018, ¡todos!

Las baterías de hoy en día son caras

Las baterías son muy importantes para la electrificación del transporte, así que lo que aprendiste aquí sigue siendo muy útil.

¡Pero aún no hemos renunciado al almacenamiento a gran escala! Veremos algunas alternativas de almacenamiento de energía dentro de dos capítulos. Pero primero, echemos un vistazo al combustible de hidrógeno y exploremos cómo podría llevar a electrificar aviones y barcos, y tal vez ser una alternativa a las baterías de los automóviles.

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