¿Qué se necesita para cargar los vehículos eléctricos más rápido?

Para poner más vehículos eléctricos en la carretera, estos científicos están trabajando para cargar un automóvil en el mismo tiempo que se tarda en cargar combustible en una estación de servicio.

rebeca heilweil

Los vehículos eléctricos son más silenciosos, más fáciles de reparar y mantener y mucho mejores para el medio ambiente que los automóviles tradicionales de combustión interna. Aún así, la cantidad de vehículos eléctricos en la carretera va detrás de los autos que se supone que deben reemplazar, en parte debido a los tiempos de carga.

Mientras que repostar un tanque de gasolina solo lleva unos minutos, cargar un vehículo eléctrico lleva mucho más tiempo. En este momento, los cargadores más rápidos disponibles para los consumidores, a veces llamados cargadores de nivel 3, pueden cargar la batería de un vehículo al 80 por ciento en tan solo 20 minutos. Pero los cargadores más disponibles (y asequibles) son mucho más lentos. Los cargadores de nivel 2 tardan varias horas en cargar un vehículo, y los cargadores de nivel 1, que se conectan a un tomacorriente doméstico típico, pueden demorar más de dos días.

Estas velocidades de carga lentas solo han exacerbado la "ansiedad por el alcance", la preocupación de que las baterías se agoten en el camino. Más del 50 por ciento de los propietarios de 500 EV que participaron en una encuesta OnePoll de 2022 encargada por Forbes Wheels dijeron que con frecuencia o siempre tienen esta preocupación. Si bien el secretario de Transporte, Pete Buttigieg, ha rechazado la idea de que los conductores deberían estar tan preocupados por el alcance, sigue siendo un obstáculo importante para los posibles compradores de vehículos eléctricos. Eso, y el hecho de que la demanda de vehículos eléctricos supera la capacidad de los fabricantes de automóviles para fabricarlos, amenaza con ralentizar el camino hacia la electrificación.

Los científicos, incluidos los de las universidades, los principales fabricantes de vehículos eléctricos y el Departamento de Energía, creen que los vehículos eléctricos podrían encenderse más rápidamente si llevamos la ciencia de la carga al límite. Argumentan que ajustar la química interna de las baterías de los vehículos eléctricos y el diseño de los cables de carga puede ayudar a eliminar esta importante barrera para la adopción. El desafío es acelerar la carga sin comprometer la seguridad o la vida útil a largo plazo de la batería. El objetivo es acercarse lo más posible al tiempo que se tarda en repostar un vehículo de combustión interna.

"Hay muchas innovaciones en el lado de la electroquímica que todavía están en el laboratorio", dice Christopher Rahn, quien codirige el Centro de Tecnología de Almacenamiento de Energía y Baterías en la Universidad Estatal de Pensilvania. "Pueden ser más caros [y] tal vez requieran diferentes procesos de fabricación. No necesariamente están listos para implementarse a gran escala, pero ciertamente muchos investigadores tienen algunos resultados interesantes".

El desafío fundamental de la carga radica en la electroquímica de las baterías. Las baterías están diseñadas con dos electrodos: un ánodo y un cátodo. Los iones de litio fluyen entre estos dos componentes. Cuando una batería se descarga y alimenta un automóvil, los iones de litio viajan del ánodo al cátodo, lo que produce electrones libres y carga eléctrica. Cuando el vehículo se está cargando, sucede lo contrario y los iones de litio son empujados hacia el ánodo.

El problema es que dentro de la batería, los iones de litio enfrentan un bache crítico. Si viajan demasiado rápido, se atascarán y no podrán ingresar al ánodo. Cuando los iones de litio quedan atrapados, hay menos iones de litio para cargar, lo que hace que la batería sea menos efectiva. Peor aún, si se acumulan demasiados iones de litio, la batería puede provocar un cortocircuito y, potencialmente, provocar un incendio en la batería.

"Resulta que mover litio es un poco como meter a 100 personas en una habitación estrecha", dice Venkat Srinivasan, director del Centro Colaborativo de Argonne para la Ciencia del Almacenamiento de Energía y subdirector del Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía en Illinois. "Hay una puerta pequeña. Haría que 100 personas comenzaran a amontonarse en la entrada. Todos se quedarán atrapados en esa puerta".

Ahora, algunos piensan que el uso de nuevas químicas de batería podría facilitar que los iones de litio se muevan dentro de una celda de batería. En Argonne, los investigadores están estudiando si es posible utilizar múltiples vías para que los iones de litio viajen dentro de una batería y, en esencia, reducir el hacinamiento.El desafío es diseñar estas puertas a nivel microscópico, explica Srinivasan.

Otra idea es investigar si el uso de diferentes electrolitos, el componente líquido utilizado para transportar iones de litio en las baterías, así como nuevos solventes y aditivos, podría acelerar el proceso de carga.

Por supuesto, cambiar la composición química de las baterías es un proceso extremadamente arduo y requiere pruebas y validaciones exhaustivas. Un enfoque más fácil de implementar consiste en actualizar el software utilizado para administrar las baterías a medida que se cargan. En este momento, las baterías se cargan con una corriente constante, lo que hace que las velocidades de carga disminuyan a medida que la batería se recarga. Los investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho creen que mejores algoritmos de batería podrían hacer que la carga sea más rápida, al ajustar la corriente que fluye hacia la batería mientras se carga.

"Tal vez mantenga la corriente baja y luego, cuando la batería alcance un estado de carga de alrededor del 30 por ciento, puede aumentar la corriente, porque en ese momento la resistencia interna de la batería es baja", explica Tanvir Tanim, científico sénior del Idaho National. Laboratorio. "Cuando se acerca a la carga completa, entonces, nuevamente, reduce la velocidad".

Algunos conceptos de carga futuristas van más allá de la batería. En la Universidad de Purdue, profesor de ingeniería mecánica Issam Mudawar está investigando cómo la nueva tecnología de refrigeración podría mejorar los cables de carga de vehículos eléctricos. En este momento, los investigadores creen que los vehículos eléctricos de carga más rápida necesitarían cables de carga que puedan manejar muchos más amperios, la unidad de corriente eléctrica, de lo que los vehículos pueden manejar hoy. La mayoría de los cargadores de hoy pueden proporcionar alrededor de 500 amperios. En este momento, cualquier corriente adicional produciría demasiado calor.

Pero Mudawar, que colaboró ​​anteriormente con Ford Motor Co., está desarrollando un sistema que usaría una tecnología de enfriamiento especial para obtener más de 2400 amperios: 1400 amperios de corriente pondrían al alcance de la mano una carga de vehículos eléctricos de cinco minutos. El sistema de Mudawar utiliza una forma modificada de refrigerante líquido que tiene sus raíces en la tecnología utilizada por la NASA. En lugar de usar un refrigerante líquido puro, el sistema usa una forma de ebullición de subenfriamiento que aprovecha la formación de burbujas.

"Cuanto mayor sea la corriente eléctrica, más calor se disipa", explica Mudawar. "Cuando se habla de corrientes muy altas para lograr la carga de cinco minutos, la cantidad de calor que debe eliminarse internamente es muy grande".

La carga súper rápida de vehículos eléctricos requeriría más que demostraciones de laboratorio exitosas. Para que funcionen, estos conceptos de carga futuristas eventualmente tendrían que fabricarse a escala, para que los conductores puedan acceder a ellos fácilmente a lo largo de sus viajes. La administración de Biden espera instalar 500.000 cargadores de vehículos eléctricos en todo el país para fines de la década, pero la cadena de suministro de componentes críticos de baterías, incluidos el cobalto y el níquel, ya es tensa.

Y si la carga súper rápida se generalizara, la red eléctrica también necesitaría algunas mejoras importantes, como ya reconoció Buttigieg. La red solo puede entregar tanta carga en un momento dado, y agregar una flota de cargadores rápidos requeriría un equipo que pueda manejar esa capacidad. En este momento, ese es un proceso difícil, e incluso equipos simples como transformadores pueden tardar un tiempo en obtenerse.

Pero mientras que los cargadores de vehículos eléctricos súper rápidos, idealmente, imitarán la experiencia de la bomba de gasolina, la mayoría de los cargadores no necesitarían operar tan rápido. Los cargadores de vehículos eléctricos más rápidos solo son necesarios para las personas que están en la carretera y fuera de sus rutinas normales. La esperanza es que los cargadores más lentos hagan gran parte del trabajo pesado de mantener cargados los automóviles del país, reabasteciendo de combustible los vehículos mientras se encuentran en los estacionamientos de las casas y oficinas de las personas.

"Todos nosotros debemos recordar socialmente que manejamos automóviles para ir de A a B, no porque nos guste ir a la estación de servicio", dice Tim Pennington, ingeniero de investigación sénior en el departamento de Almacenamiento de Energía y Transporte Avanzado del Instituto Nacional de Idaho. Laboratorio. "No necesitamos una carga de diez minutos todos los días".

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Rebeca Heilweil | LEER MÁS

Rebecca Heilweil es periodista de tecnología. Ha escrito para medios como Fortune, Philadelphia Inquirer y Vox.