La lista de deseos de la batería EV

Los coches eléctricos apenas existían en 2010, cuando el Tesla Model S todavía era un destello en los ojos de Elon Musk. Ahora, más de 20 millones de vehículos eléctricos rodean el mundo, según BloombergNEF, y se espera que esa cantidad casi se cuadruplique a 77 millones para 2025. Una batería será el corazón de alto voltaje de cada uno de esos 77 millones de vehículos eléctricos, y por mucho su componente más caro, desencadenando una carrera mundial para obtener éticamente sus materiales y aumentar la producción para satisfacer la demanda explosiva.

Es posible que los vehículos eléctricos se hayan apoderado de un récord del 5,8 por ciento del mercado de los Estados Unidos en 2022, según JD Power, y podrían acercarse al 11 por ciento del mercado mundial este año. Pero los expertos aún creen que mejores baterías, y muchas más, son la clave para que los vehículos eléctricos alcancen un punto de inflexión en el mercado, incluso cuando Reuters proyecta que los fabricantes de automóviles gastarán la friolera de 1,2 billones de dólares para desarrollar y producir vehículos eléctricos hasta 2030.

IEEE Spectrum pidió a cinco expertos de la industria que miraran profundamente en sus propias bolas de cristal y describieran lo que debe suceder en el espacio de la batería EV para alejar al mundo del transporte de combustibles fósiles y cambiarlo. Esto es lo que dijeron:

Upstart Lucid Motors no ha construido muchos autos, pero se ha forjado una reputación con el rango de manejo de 830 kilómetros que establece récords del sedán Air Grand Touring Performance. Ese alcance es un testimonio de la obsesiva búsqueda de la eficiencia de Lucid: el Air usa las mismas celdas cilíndricas de formato 2170 (suministradas por Samsung SDI) que muchos vehículos eléctricos, pero logra más millas a través de una gestión superior de la batería, unidades de energía compactas pero musculosas y aerodinámica resbaladiza.

El diseño sofisticado del chasis y la batería da nueva vida a las químicas "menores", especialmente el fosfato de hierro y litio, que es lo más popular en baterías en todo el mundo, que de otro modo serían obsoletas y poco competitivas.

Uno podría pensar que Lucid pediría que todos los modelos eléctricos cubrieran distancias tan grandes. En cambio, los líderes de Lucid ven un futuro brillante en los automóviles que apuntan a la máxima eficiencia, en lugar de la autonomía en sí misma, a través de baterías más pequeñas y asequibles.

El último modelo Air Touring de Lucid es el más eficiente hasta ahora por milla. Ahora, el vehículo de producción más aerodinámico del mundo, con un coeficiente de arrastre de 0,197, el Air Touring ofrece 7,44 kilómetros según la clasificación de la EPA por cada kilovatio hora a bordo. Sin embargo, propulsar esta barcaza de lujo de tamaño completo requiere una batería de 92 kWh a bordo.

Con todo eso en mente, la compañía está desarrollando su próxima generación de baterías. Extrapolando los objetivos de la empresa, un futuro Lucid de tamaño compacto (piense en el tamaño de Tesla Model 3 o Model Y) podría reducir decisivamente el tamaño de su batería sin sacrificar el rango útil.

"Nuestro objetivo es mejorar aún más la eficiencia", dice Dlala.

"Si hacemos un automóvil de 250 millas, podríamos tener una batería de solo 40 kWh", o menos de la mitad del tamaño del Air. Esa es la batería del mismo tamaño que un modelo base relativamente pequeño Nissan Leaf, cuya menor eficiencia se traduce en solo 240 km de rango de manejo clasificado por la EPA.

Estas baterías compactas no solo ahorrarían mucho dinero a los fabricantes y consumidores. Requerirían menos materias primas y refinadas, lo que permitiría a los fabricantes de automóviles construir teóricamente muchos más automóviles a partir de un suministro finito. Ese paquete también pesaría alrededor de un tercio de la batería actual más robusta de Lucid. El resultado sería una cadena de ganancias que calentaría el corazón del ingeniero más consciente de las masas: un chasis más liviano para soportar la batería más pequeña, estructuras de choque más delgadas, frenos reducidos. Más espacio útil para pasajeros y carga. Todos esos ahorros aumentarían aún más la autonomía y el rendimiento.

Este gran diseño, naturalmente, exigiría una explosión concomitante en el desarrollo del cargador. Una vez que los cargadores sean tan ubicuos y confiables como las estaciones de servicio, y casi tan rápidos para llenar, "entonces no necesito 400 millas de alcance", dice Dlala.

Todo esto podría conceder el último y elusivo deseo de los fabricantes de vehículos eléctricos: la paridad de precios con los automóviles de combustión interna.

"Esa combinación de eficiencia e infraestructura nos permitirá crear precios competitivos frente a los automóviles de combustión interna", dice Dlala.

Castilloux dice que los avances revolucionarios en baterías para vehículos eléctricos hasta la fecha han sido raros. Sin embargo, las baterías de vehículos eléctricos siguen siendo fundamentales para los cálculos de los fabricantes de automóviles, ya que buscan un suministro sostenible y asequible en un período de crecimiento explosivo. En un mercado hambriento de lo que ven como su parte legítima de kilovatios-hora, los fabricantes de automóviles más pequeños o menos conectados pueden pasar hambre especialmente.

"Todos compiten por un suministro limitado", dice Ryan Castilloux. “Eso genera una trayectoria de crecimiento irregular en los vehículos eléctricos. Es un desafío inmenso, y uno que no desaparecerá hasta que el crecimiento se desacelere y el lado de la oferta pueda mantenerse al día”.

"En las últimas décadas, no habría tenido sentido pensar que un fabricante de automóviles se convirtiera en una empresa procesadora o minera, pero ahora, con la escasez de suministros, tienen que tomar medidas drásticas". —Ryan Castilloux, Adamas Intelligence

Una industria de baterías que ha logrado aumentar el contenido de níquel para lograr un mejor rendimiento y reducir el cobalto para reducir costos, se ha topado con un muro de rendimientos decrecientes solo a través de la química. Eso deja el diseño de paquetes de baterías como una nueva frontera: Castilloux elogia el impulso para eliminar el "aluminio y otros materiales zombis" para ahorrar peso y espacio. El esfuerzo se muestra en innovaciones tales como baterías cilíndricas de gran formato con proporciones más altas de material activo a las carcasas circundantes, así como en los llamados diseños "cell-to-pack" o "pack-to-frame". Los críticos vehículos eléctricos "Neue Klasse" de BMW, los primeros que llegarán en 2025, son solo un ejemplo: las celdas de gran formato, sin necesidad de módulos encajonados tradicionales, llenan un piso abierto completo y sirven como un miembro estructural resistente a los choques.

“Esa se convierte en una forma económica de generar grandes mejoras en la densidad de carga y aumentar el kilometraje de un vehículo”, dice Castillloux.

Ese tipo de chasis sofisticado y diseño de batería también puede ayudar a nivelar el campo de juego, dando nueva vida a los productos químicos "menores", especialmente el fosfato de hierro y litio, que es lo más popular en baterías en todo el mundo, que de otro modo serían obsoletos y poco competitivos.

"Las cosas se están moviendo en la dirección correcta en América del Norte y Europa, pero en este momento es demasiado poco y demasiado tarde, y Occidente está luchando colectivamente para satisfacer la demanda".

La transmisión y la batería de un vehículo eléctrico Mercedes-Benz EQS en la línea de montaje de la planta del Grupo Mercedes-Benz en Sindelfingen, Alemania, el lunes 13 de febrero de 2023. Krisztian Bocsi/Getty Images

La tragedia, dice Castilloux, es que la demanda de vehículos eléctricos se anticipó durante varios años, "pero la acción recién está ocurriendo ahora".

"China fue la única que actuó en consecuencia, y ahora está una década por delante del resto del mundo", tanto en el refinado y procesamiento de materiales de baterías como en la producción de celdas en sí.

Tesla también se adelantó a los fabricantes de automóviles heredados al pensar en términos de integración vertical, la necesidad de controlar toda la cadena de suministro, desde las minas de salmuera de litio y cobalto hasta la producción final y el reciclaje.

"En las últimas décadas, no habría tenido sentido pensar que un fabricante de automóviles se convirtiera en una empresa procesadora o minera, pero ahora, con la escasez de suministros, tienen que tomar medidas drásticas".

Los fabricantes de automóviles están compitiendo para satisfacer la creciente demanda de vehículos eléctricos y llenar los enormes vacíos en el mercado, incluida la construcción de una cadena de suministro local de materiales para baterías y baterías. Solo en los Estados Unidos, Atlas Public Policy contabiliza US $ 128 mil millones en inversiones anunciadas en EV y fábricas de baterías y reciclaje. Eso todavía deja otro punto ciego: la infraestructura de carga. Dejando a un lado los supercargadores dominantes de Tesla, muchos expertos citan una red de carga fragmentada y notoriamente poco confiable como un obstáculo importante para la adopción generalizada de vehículos eléctricos.

"La infraestructura de carga está en nuestra lista de cosas que debemos mejorar", dijo Dan Nicholson, quien ayuda a liderar las nuevas iniciativas de cargadores de General Motors.

La Ley de Infraestructura de EE. UU. de 2021 proporciona $ 7500 millones para construir una red de 500 000 cargadores EV para 2030. Pero en lugar de poseer y operar sus propios cargadores como Tesla, similar a los fabricantes de automóviles que operan cadenas de estaciones de servicio patentadas, GM, Ford y otros argumentan que estandarizaron , los cargadores de código abierto son fundamentales para convencer a más estadounidenses de dejar el hábito de ICE. Esos cargadores deben estar disponibles en todas partes donde la gente viva y trabaje, dijo Nicholson, y abiertos a los conductores de cualquier marca de automóvil.

Ayudará si esos cargadores realmente funcionan: un estudio de 2022 mostró que casi el 25 por ciento de los cargadores públicos en el área de la Bahía de San Francisco, en sí misma una meca para la propiedad de vehículos eléctricos, no funcionaban correctamente.

Los fabricantes de automóviles y baterías están a bordo con múltiples soluciones, incluido el sorprendente aumento de las celdas de fosfato de hierro y litio en Teslas, Fords y otros modelos.

Para llenar los vacíos en las redes públicas, GM está colaborando con EVGo en una red nacional de 2000 puestos de carga rápida de CC, ubicados en 500 centros de viaje Pilot y Flying J, la mayoría a lo largo de los principales corredores. Para llegar a las personas donde viven, incluidas las personas que no tienen acceso a la carga en el hogar, GM está recurriendo a sus más de 4400 distribuidores para construir hasta 10 estaciones de carga de Nivel 2 cada una, tanto en los distribuidores como en ubicaciones clave, incluidas las comunidades urbanas y rurales desatendidas. Nicholson señala que el 90 por ciento de la población estadounidense vive a menos de 16 kilómetros de un concesionario de GM.

En su función como miembro de la junta de SAE, Nicholson también respalda estándares preparados para el futuro para vehículos eléctricos, conectores y cargadores. Eso incluye el estándar internacional ISO 15118 que define la comunicación bidireccional entre los vehículos eléctricos y los cargadores. Ese estándar es clave para "Plug and Charge", el sistema de interoperabilidad en ciernes que permite a los conductores de cualquier EV conectarse a cualquier cargador rápido de CC y simplemente recibir la factura en el back-end. Así funcionan los Tesla desde 2012, aunque con la ventaja de un sistema cerrado que solo necesita reconocer y comunicarse con los modelos Tesla.

Nicholson dijo que GM también está buscando "garantías de tiempo de actividad" con los colaboradores de carga. Eso permitirá a los conductores ver con anticipación si un cargador está operativo y mantener un lugar.

"La gente necesita poder reservar una estación y saber que va a funcionar cuando lleguen allí", dijo.

A pesar de un año de auge eléctrico en 2022, algunos analistas están rebajando las previsiones de adopción de EV, debido a las dificultades de la demanda impredecible, la recesión inminente y los problemas de la cadena de suministro. S&P Global Mobility se mantiene alcista y predice que el 42 % de los compradores globales elegirán un EV en 2030, dentro del alcance del objetivo del presidente Biden de una penetración del 50 % de EV.

"Eso es mucho crecimiento, pero hay muchas personas que no avanzarán tan rápido", dijo Brinley. Impulsar los vehículos eléctricos a la mayoría del mercado requerirá que las estrellas se alineen. Brinley dice que la clave más crítica es una explosión continua de nuevos modelos EV en todos los puntos de precio, incluidos los SUV y las camionetas que son el alma de los compradores estadounidenses.

Con respecto a las baterías, Brinley dice que los fabricantes de ICE con una huella de fabricación existente, mano de obra y conocimientos técnicos podrían encontrar una ventaja sobre los recién llegados. El problema será qué tan bien las empresas como General Motors y Ford pueden manejar la transición, desde reducir la producción de ICE hasta volver a capacitar a los trabajadores, de los cuales se requerirá menos para producir baterías y motores que los sistemas de propulsión ICE. En febrero, Ford anunció una nueva planta de $ 3.5 mil millones en Michigan para construir baterías LFP, licenciando tecnología de CATL de China, actualmente el productor de iones de litio más grande del mundo.

"Algunos fabricantes de automóviles (heredados) usarán LFP para ciertos casos de uso, y el estado sólido en desarrollo podría cambiar la dinámica nuevamente", dice Brinley. “Pero por el momento, necesita tanto baterías como motores, porque la gente comprará ambos”, dice Brinley.

En algún momento, dice Brinley, es un juego de suma cero: un mercado global plano para automóviles no puede acomodar cómodamente ambos tipos de trenes motrices.

"Las ventas de ICE tienen que bajar para que aumenten las ventas de BEV", dice Brinley. "Y eso generará un mercado salvaje en los próximos años".

NanoGraf se encuentra entre varias empresas emergentes que desean no solo baterías de mayor duración, sino también una cadena de suministro norteamericana estable y competitiva para contrarrestar el dominio de las baterías de China. La Ley de Reducción de la Inflación ha estimulado un tsunami sin precedentes de inversión local, al exigir un sólido abastecimiento nacional de baterías y materiales de baterías como condición para las exenciones fiscales de los vehículos eléctricos para fabricantes y consumidores. Eso incluye un crédito fiscal de $35 por kWh en cada celda de iones de litio producida y una exención fiscal al consumidor de $7,500 en vehículos eléctricos elegibles.

Connor Hund dice que NanoGraf tiene como objetivo la producción en tierra de su material de ánodo de silicio en una nueva instalación de Chicago a partir del segundo trimestre de este año. La compañía, cuyos patrocinadores incluyen al Departamento de Defensa, afirma haber creado la celda cilíndrica 18650 con mayor densidad de energía hasta el momento, con 3,8 amperios-hora. La clave de la tecnología es un núcleo prelitiado que permite un porcentaje de silicio del ánodo de hasta el 25 por ciento, en comparación con las celdas que normalmente alcanzan un máximo del 5 al 7 por ciento de silicio.

"Ciertamente hay espacio para aumentar la gama de vehículos eléctricos en un 20, 30 o incluso un 50 por ciento mediante el uso de silicio", dice.

Pero ya sea NanoGraf o el impulso hacia las celdas cilíndricas 4680 de gran formato liderado por Tesla y Panasonic, escalar a la producción en masa sigue siendo un obstáculo importante. NanoGraf planea una capacidad inicial suficiente para 35 a 50 toneladas de sus materiales anódicos. Pero necesitaría 1.000 toneladas anuales para romper el espacio automotriz, con su ahora ilimitado apetito por las baterías, a un costo competitivo con lo que los fabricantes de automóviles pagan actualmente por las células de China, Corea del Sur u otros lugares.

"Es tan despiadado en ese espacio, y hay una escala que debes alcanzar", dice Hund.

Se está concediendo un deseo: nadie está esperando una bala mágica en tecnología, incluidas las baterías de estado sólido que, según insisten muchos expertos, no estarán listas para los automóviles hasta 2030 o más tarde. En cambio, los fabricantes de automóviles y baterías están a bordo con múltiples soluciones, incluido el sorprendente aumento de las celdas LFP en Teslas, Fords y otros modelos.

"Hay escasez de todos estos materiales, no hay suficiente níquel, cobalto o manganeso, por lo que las empresas que se dirigen a diferentes consumidores con diferentes soluciones son realmente útiles".

Los países occidentales se han esforzado por tener una visión holística de todo lo que se requiere, especialmente cuando las soluciones establecidas de China están disponibles. No se trata solo de materias primas, ánodos o cátodos, sino también de celdas, módulos, electrolitos y separadores.

"Se necesitan empresas que instalen todos esos componentes para tener una cadena de suministro sólida en los Estados Unidos", dice. "Necesitamos a todos aguas arriba y aguas abajo de nosotros, ya sea el grafito, el electrolito o el separador. Todos son solo una pieza del rompecabezas".

Hund dice que las baterías más seguras también deberían estar en la lista de deseos de la industria, ya que los incendios de alto perfil en Teslas y otros modelos amenazan con manchar la reputación de los vehículos eléctricos o mantener a los consumidores escépticos al margen.

"No podemos permitir que las baterías se descarguen solas al ritmo actual", dice, especialmente cuando los fabricantes de automóviles se preparan en todo el mundo para su mayor invasión de vehículos eléctricos hasta el momento.

"Adelantarse a esto ahora, en lugar de empujar a millones de automóviles a la carretera y ocuparse de la seguridad más adelante, es muy importante".

Actualización 14 de marzo de 2023: Esta historia se corrigió para reflejar que el modelo Air Touring de Lucid lleva una batería de 92 kWh. (Una versión anterior de esta historia decía que la capacidad de la batería era de 112 kWh).