Varias tecnologías compiten para lograr que la batería de los coches eléctricos, su componente más estratégico, sea más económica, durable, compacta, liviana, con mayor capacidad de almacenaje y, sobre todo, se pueda recargar lo más rápido posible.

El objetivo es que la recarga se convierta en un trámite tan rápido y anodino como el repostaje en un vehículo convencional, aunque más económico.

Se han usado ampliamente varias tecnologías de baterías, tanto en vehículos híbridos, como híbridos enchufables y eléctricos puros. Entre ellas, las de plomo y ácido, sal fundida, níquel e hidruro metálico, ión-litio, ión-litio en polímero, óxido de plata, zinc-aire e incluso nanotubos de carbono. Las hemos discutido en*faircompanies con un detallado artículo.

Todas las tecnologías de batería, incluyendo las más usadas comercialmente (ión-litio y níquel e hidruro metálico) comparten en la actualidad la misma limitación: el tiempo de recarga. El escollo será difícil de superar, aunque algunos hallazgos aportan esperanzas a corto y medio plazo.

Mayor longevidad o más condensación energética en menor espacio

El vehículo híbrido más vendido hasta el momento, el Toyota Prius, ha demostrado la solvencia de las baterías de níquel e hidruro metálico. Diez años después, los primeros Prius siguen sin problemas de mantenimiento y mantienen intacta su economía de combustible.

Con los vehículos híbridos, donde la batería tiene un comportamiento meramente subsidiario y asistencial, el tiempo de recarga no repercute en el funcionamiento del vehículo; de ahí que el usuario no perciba el tiempo de recarga como un factor decisivo.

No ocurre lo mismo con los vehículos íntegramente eléctricos, que deben recargar periódicamente sus baterías antes de circular, al no disponer de motor de combustión interna adicional. En estos modelos, la tecnología más empleada es la que logra mayor condensación energética con una relativa fiabilidad y estabilidad. La industria del automóvil se ha decantado por el ión-litio, usado con éxito en las baterías de los dispositivos electrónicos e informáticos.

El ión-litio con sus derivados (como el litio y manganeso de la batería del Chevrolet Volt/Opel Ampera; o el fosfato de hierro y litio, usado en el Coda Sedan), propulsan mayoritariamente la batería de los últimos híbridos enchufables y eléctricos, tanto comerciales como en fase de pruebas: Nissan Leaf, Renault Zoe, Mitsubishi i-MiEV (y sus versiones de Peugeot y Citröen), Tesla Roadster (y el futuro Model S), Ford Focus EV, BMW Mini E, Fisker Karma (como el Chevy Volt, un híbrido enchufable), Smart Fortwo ED, o Think City.

Limitaciones del ión-litio y el níquel e hidruro metálico

En función de la tecnología de batería elegida, los fabricantes han optado por mayor condensación de energía en menor volumen y peso (ión-litio), o por una mayor longevidad y resistencia al envejecimiento con las recargas (níquel e hidruro metálico).

La estrategia de Toyota con los nuevos Prius ejemplifica las ventajas y limitaciones de ambas tecnologías. El modelo Prius no enchufable presentado en 2009 sigue incorporando la batería convencional de níquel e hidruro metálico, que la marca ha perfeccionado a lo largo de más de una década, lo que ha aumentado su fiabilidad y resistencia al envejecimiento.

Por el contrario, el Prius enchufable incorpora tres baterías de ión-litio, una tecnología que permite mayor condensación energética en un espacio mucho más reducido. El vehículo utiliza la batería principal para la conducción híbrida, mientras dos baterías más reducidas propulsan el modo íntegramente eléctrico, por el que el conductor puede optar.

Objetivo: máxima capacidad con volumen y masa lo más reducidos posible

Cuando se trata de modelos íntegramente eléctricos, el rango de autonomía depende exclusivamente de la tecnología empleada; de ahí que se haya optado por componentes capaces de condensar la mayor cantidad de electricidad en el mínimo espacio:

• Baterías de plomo y ácido: las más baratas y conocidas (se empleaban técnicas similares hace un siglo), aunque las menos densas. Logran un rango de autonomía con una sola carga de entre 30 y 80 kilómetros (de 20 a 50 millas). Es posible aumentar su rango cuando se incrementa su tamaño (y, por tanto, el peso y prestaciones del vehículo) hasta los 130 kilómetros (80 millas).
• Baterías de níquel e hidruro metálico: tienen mayor densidad energética que las de plomo y ácido, así como una fiabilidad industrial comprobada, dado su uso extensivo en el híbrido más veterano y vendido, el Toyota Prius. Alcanzan los 200 kilómetros (120 millas) de autonomía con una sola carga.
• Baterías de zinc (níquel-zinc y níquel-cadmio): es una tecnología ideada por Thomas Edison, más ligera y densa que las mezclas de plomo y ácido y más baratas de producir que las de ión-litio. No obstante, su arquitectura es mucho más pesada, lo que repercute sobre las prestaciones y rango de autonomía del vehículo.
• Baterías de ión-litio: la técnica en uso en la actualidad con una mayor densidad, sin por ello perder fiabilidad ni longevidad. Su principal inconveniente sigue radicando en el precio. Expertos como el profesor Paul Norby creen que deberán duplicar su densidad energética y reducir el precio por kWh de los 500 dólares en 2010 a 100 dólares, para que su precio permita a los vehículos ser competitivos con modelos convencionales equiparables, sin necesidad de ayudas públicas.

En busca de un menor tiempo de recarga

Independientemente del tipo de batería elegida, fabricantes y usuarios centran su atención en las dos características objetivas que más afectarán la adopción de los vehículos híbridos enchufables y los íntegramente eléctricos: el coste de la batería, todavía elevado pese a disminuir a medida que aumenta la producción e intensidad energética; y su tiempo de recarga completa, que sigue comprendiendo varias horas.

Los fabricantes que han apostado más decididamente por modelos eléctricos (General Motors -Chevrolet y Opel-, Nissan-Renault, Ford, la startup Tesla Motors, etcétera) asumen que los compradores potenciales pueden adaptarse sin problema a un tiempo de recarga completa de 6 a 8 horas, que podría llevarse a cabo durante la noche, o mientras el vehículo se encuentra estacionado en el trabajo.

Los vehículos híbridos enchufables e íntegramente eléctricos, propulsados con baterías de ión-litio o tecnologías similares, deben recargarse externamente de manera periódica y, pese a que su rango difiere en función del tamaño de la batería, han sido concebidos para que un uso cotidiano del vehículo, que implique un desplazamiento urbano medio, requiera la recarga diaria. De ahí que el tiempo empleado en cargar la batería sea estratégico. Su reducción sustancial aumentaría el atractivo de estos modelos.

De momento, los vehículos eléctricos propulsados por baterías son recargados tanto en casas como en puestos de recarga (electrolineras), dependen de la red convencional de suministro eléctrico, con lo que parte de la energía usada procedería de plantas de generación de carbón, gas natural, hidroeléctricas o fuentes renovables como la eólica o solar. Pese a que proliferan las compañías que prometen el suministro de energía procedente de fuentes únicamente renovables, su precio las convierte en ofertas minoritarias en la mayoría de países.

Tiempo convencional de recarga

La recarga convencional puede adaptarse sin problemas a las características de las redes eléctricas de Europa, Norteamérica o Japón. Un hogar convencional en Estados Unidos, Canadá o Japón dispone de una potencia de 1,5 kilovatios, con conexiones de 110 voltios. En Europa, por el contrario, predomina la potencia de 3 kilovatios y el suministro de 240 voltios.

Teóricamente, los hogares de los países europeos que suministran una corriente con una intensidad comprendida entre 16 y 25 amperios, podrían ser adaptados a la recarga de alta capacidad, pero la recarga masiva al máximo de capacidad de la red provocaría problemas de suministro.

La adopción generalizada de sistemas de recarga rápida para los vehículos propulsados con batería presenta interrogantes, al menos en la infraestructura doméstica. Las electrolineras, por el contrario, podrían contratar mayor capacidad para mantener sus picos de uso.

El otro escollo para reducir el tiempo de recarga de los vehículos eléctricos se encuentra en las propias baterías en uso en la actualidad. Incluso cuando el suministro eléctrico puede incrementar su capacidad e intensidad, la mayoría de las baterías no aceptan una carga superior a su tasa de carga (o 1C, donde C es la expresión del ratio de carga o descarga en relación con la capacidad de la batería en 1 hora).

Ello es debido a que una tasa de carga superior incidiría negativamente sobre la capacidad de descarga de la batería y aceleraría su envejecimiento, al poder alterar su estructura química a través de efectos adversos como el sobrecalentamiento.

Si se emplea, ya sea en casa o en una electrolinera, una potencia de recarga de 3,6 kilovatios (230 o 240 voltios a 16 amperios de intensidad), es necesario emplear varias horas para recargar completamente un coche eléctrico. Si la batería sólo acepta una velocidad carga en kilovatios hora equivalente a su tasa de carga (1C), una conexión de 3,6 kilovatios requeriría algo menos de siete horas para recargar una batería de 24 kWh (kilovatios hora, donde 1 kilovatio equivale a 1,34 caballos de potencia), como la que incorpora el Nissan Leaf.

Potencia, rango y tiempo de recarga de los principales coches eléctricos

El tiempo de recarga completa de los principales coches eléctricos comerciales y en fase de experimentación es relativamente homogéneo, debido a su conservadora tasa de carga de 1C, para evitar recalentamientos que pudieran dañar la química interna:

• Chevrolet Volt (Opel Ampera): batería de 16 kilovarios hora (kWh) de capacidad con 65 kilómetros (40 millas) de rango con una sola carga. Requiere desde 4 horas de recarga (enchufe de 240 voltios) a 10 horas (enchufe de 120 voltios). El Volt incorpora un motor de combustión adicional de 1,4 litros, con lo que técnicamente es un híbrido enchufable.
• Nissan Leaf: batería de 24 kWh, 160 kilómetros (100 millas) de rango con una sola carga y tiempo de recarga completa desde 8 horas (enchufe de 220 voltios) a 14-15 horas (a 110 voltios). Es posible recargar el 80% en 30 minutos, con el estándar de recarga rápida.
• Ford Focus EV: batería de 23 kWh y 120 kilómetros (75 millas) de autonomía; 7 horas de recarga a 220 voltios, 12-13 horas a 110 voltios, o 2,5 horas con el estándar de recarga rápida.
• Vehículos eléctricos de Renault (Kangoo Express Z.E, Fluence Z.E, Twizy): recarga en 6-8 horas (enchufe de 220 voltios), o en 30 minutos, con el estándar de recarga rápida (400 voltios).
• Mitsubishi iMiEV: batería de 16 kWh y 130 kilómetros (80 millas) de autonomía, con un tiempo de recarga de 7 horas (enchufe de 220 voltios), 12-13 horas a 110 voltios, o 2,5 horas con el sistema de recarga rápida.
• Smart Fortwo ED: batería de 16,5 kWh, 136 kilómetros (85 millas) de rango y desde 3,5 horas de recarga (enchufe de 220 voltios) a 7-8 horas (110 voltios).
• Tesla Roadster: batería de 56 kWh, 350 kilómetros (220 millas) de rango y recarga en 8-10 horas con enchufe de 220 voltios, o 3,5 horas con el sistema de recarga rápida.
• Tesla Model S (previsiones): batería estándar de 42 kWh (habrá modelos con mayor capacidad), 250 kilómetros (160 millas) de rango, y recarga en 3-5 horas a 220 voltios y 70 amperios, con la opción de recargar el 80% en 45 minutos usando un enchufe de 440 voltios.
• Think City: batería de 24,5 kWh, 160 kilómetros (100 millas) de rango, y recarga en 4 horas a 200 voltios, 8 horas a 110 voltios, o el 80% en 15 minutos usando un sistema de recarga rápida.
• BMW Mini E: batería de 35 kWh, 250 kilómetros (156 millas) de autonomía, y recarga en 3 horas (240 voltios a 48 amperios), 4,5 horas (enchufe de 240 voltios a 32 amperios), o 26 horas (110 voltios a 12 amperios).
• Coda Sedan: batería de 34 kWh, 190 kilómetros (120 millas) de autonomía, y recarga en menos de 6 horas usando un enchufe de 240 voltios.

Tiempos de recarga con estándares de recarga rápida

No todas las baterías eléctricas han sido diseñadas para soportar una potencia de recarga superior a su tasa de carga (1C). Sin embargo, las baterías de ión-litio de última generación incorporan mecanismos contra el recalentamiento y permiten aumentar relativamente la intensidad de la recarga, sin por ello, comprometer la seguridad de la batería.

El objetivo es reducir al máximo el intervalo entre el inicio del proceso y la recarga de, al menos, el 80% de la batería, para que en los próximos años sea posible equiparar el tiempo de repostaje de los vehículos eléctricos con batería y el de los modelos con motor de explosión.

Los fabricantes de vehículos eléctricos deberán ser transparentes acerca de la compatibilidad de sus baterías con los sistemas de carga rápida. Jonas Dalidd recuerda en Autoblog Green que, en la nueva generación de baterías de ión-litio, la habilidad de recarga y descarga rápida reduce la capacidad de la batería, lo que en un vehículo se traduce en menor rango de autonomía.

Estándares de recarga rápida

Sea como fuere, ya se han desarrollado los primeros conectores estándar de recarga rápida, desarrollados por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC en sus siglas en inglés), a la espera de que los fabricantes clarifiquen la tolerancia de cada modelo a las nuevas especificaciones:

• Europa ha adoptado el conector VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 Type 2), desarrollado por la firma alemana Mennekes, capaz de proporcionar una potencia de 43,5 kilovatios (enchufe de 400 voltios, a 63 amperios de intensidad). Reduce a menos de 1 hora el tiempo de recarga completa de las baterías preparadas para estos estándares.
• Estados Unidos se ha decantado por el conector SAE 1772 (IEC 62196 Type 1), muy similar a la especificación europea, aunque con menor potencia debido a las características de la red eléctrica de Norteamérica y Japón. Suministra 16,8 kilovatios (enchufe de 240 voltios, a 70 amperios de intensidad).
• Estándar de carga rápida CHAdeMo (“charge de move”, carga para moverse), diseñado para la recarga rápida en electrolineras, capaz de suministrar 62,5 kilovatios (enchufe de 500 voltios a 125 amperios).

Futuro: baterías que se recargan en 2 minutos

Dadas las limitaciones de la tecnología actual de ión-litio y sus alternativas, cualquier avance que permita reducir el tiempo de recarga hasta un intervalo testimonial, similar al usado en el repostaje de un vehículo convencional, podría impulsar definitivamente a la industria del automóvil eléctrico.

De ahí que, tomando las precauciones necesarias, The Economist, Wired y medios especializados se hayan hecho eco del artículo publicado en Nature Nanotechnology por el profesor de la Universidad de Illinois Paul Braun.

El artículo especifica los detalles de un nuevo electrodo, cuyo uso permite recargar la batería de un vehículo en dos minutos. Se trata de un cátodo basado en una nanoestructura que permite usar tasas de carga y descarga de 400C, tanto en baterías de ión-litio (Nissan Leaf) como en la alternativa de níquel e hidruro metálico (NiMH) usada, por ejemplo, en el Toyota Prius.

El crucial significado de “400C”

Si “C” equivale a tasa de carga o descarga, donde 1C equivale a 1 carga en 1 hora, usando un suministro de 3 kilovatios hora, son necesarias varias horas para recargar las actuales baterías, sin envejecer ni recalentar su estructura, lo que reduciría su capacidad (y, por ende, el rango del automóvil). Usando el nuevo cátodo descrito por el profesor Braun, el tiempo de recarga se aceleraría debido a la tasa de 400C hasta 1/400 de una hora (o 9 segundos por kilovatio hora).

Tomando como ejemplo la batería del Nissan Leaf, e imaginando que incluyera el nuevo electrodo con el que ha experimentado con éxito Paul Braun, con la conexión rápida adecuada y aprovechando al máximo la tasa de 400C, la batería de 24 kilovatios hora podría recargarse en tres minutos y medio (216 segundos, o 9 segundos de cada kilovatio hora multiplicados por 24).

Por mucho que haya sido publicado en una revista científica, donde se supone que ha sido sometido a un estricto proceso de verificación, hay que aguardar unos meses para comprobar si el exitoso experimento de Paul Braun supone el revulsivo esperado durante largo tiempo por el coche eléctrico: una técnica que convierta la recarga de toda la batería del vehículo en un mero trámite, tan anodino y cotidiano como el repostaje en una gasolinera.

Con grandes ventajas. No estaríamos rellenando la batería con un derivado del petróleo (ni cualquier sustituto vegetal, que aumentaría el precio de productos de primera necesidad), caro, contaminante y generador de inestabilidad en el mundo.

La electricidad puede proceder de fuentes contaminantes, sí. Es también cara (y lo será más). Pero, incluso añadiendo estos inconvenientes, el vehículo eléctrico es más limpio, saludable, silencioso. Menos dependiente del petróleo. Y capaz de liberar a las ciudades de su aureola de contaminación.