La mayor parte de las baterías que se emplean en las bicicletas eléctricas están basadas en la tecnología de ion-litio (también conocidas por las siglas Li-Ion). Esto se debe a que son las más competitivas teniendo en cuenta la relación entre su precio y su densidad energética, esto es, la cantidad de energía que acumula la batería dividido entre el peso de la misma. Otro factor importante de esta tecnología es que, de acuerdo a un estudio conjunto del Paul Scherrer Institute y Toyota, las baterías de ion-litio tienen menos efecto memoria que el resto de tecnologías actuales. Además, de acuerdo a un informe de la consultora IDTechEX, se espera que esta sea la tecnología que se emplee en las baterías de los vehículos eléctricos a lo largo de la próxima década, ya que las muy esperadas baterías de grafeno aún se encuentran en fase experimental y requerirán de un largo recorrido antes de que lleguen al mundo de las bicicletas eléctricas con unos precios competitivos.
Principio de funcionamiento de las baterías de bicicletas
El siguiente vídeo muestra de manera esquemática el funcionamiento de una batería de ion-litio. En él se observa como, en el proceso de descarga de la batería, los átomos de litio se oxidan formando iones de litio (Li+) y liberando electrones que producen la corriente en el circuito. Los iones de litio se mueven a través del electrolito y del separador hacia el electrodo positivo, mientras que los electrones fluyen del electrodo negativo al positivo en el circuito. Al finalizar el recorrido en el circuito eléctrico, los electrones se recombinan con los iones de litio, almacenándose en la estructura molecular del material activo.
El proceso de carga de la batería se inicia cuando un voltaje externo y de la misma polaridad se aplica entre los colectores de la batería. Cuando esto ocurre los átomos de litio abandonan la estructura metal-óxido y se ionizan en forma de iones de litio (Li+), abandonando un electrón. De manera análoga a lo que ocurría en el proceso de carga, en este caso los iones de litio se difunden hacia el electrodo negativo y se recombinan con los electrones, formando átomos de litio que se integran en la estructura molecular de las partículas de grafito.
La capacidad de este tipo de baterías depende de dos factores: la diferencia de potencial entre el ánodo y cátodo y la distancia entre los electrodos.
Desarrollo tecnológico de las baterías de ion-litio
Pese a que en la actualidad las baterías de ion-litio son las líderes del mercado en el sector de la movilidad eléctrica, el potencial de mejora que tienen es bastante alto. Hay dos aspectos en los que se está investigando para mejorar este tipo de baterías: la seguridad y la densidad energética.
La seguridad de las baterías
La seguridad está relacionada con el electrolito líquido que contienen este tipo de baterías, que es el material encargado de transportar los electrones. Este material es peligroso dada su facilidad para inflamarse, lo que provoca que haya que tener precaución con los problemas sobrecalentamiento, que puede provocar el incendio de la batería.
La densidad energética
La densidad energética es una característica muy importante de las baterías, ya que indica la cantidad de energía que es capaz de almacenar la batería en relación a su peso. La densidad energética se mide en vatios-hora por kilogramo (Wh/kg) y es función del voltaje de la batería y de la capacidad de la misma. En la actualidad, las baterías comerciales rondan los 120-150 Wh/kg.
La densidad energética de una batería depende de su voltaje y de la capacidad de la misma. La dificultad que existe a la hora de mejorar una batería de ion-litio reside en que al aumentar la densidad energética se reduce la seguridad del dispositivo: un aumento de la distancia potencial entre ánodo y cátodo incrementa la tensión de la pila, y por lo tanto su densidad energética, pero este aumento en la separación provoca mayor inestabilidad en el intercambio de iones, y por lo tanto una reducción en la seguridad de la pila.
Últimos avances
La Universidad de Córdoba ha conseguido una batería capaz de almacenar más del doble de energía que las baterías que existen actualmente en el mercado. Para ello, el grupo de José Luis Tirado ha incrementado la diferencia de voltaje entre el ánodo y el cátodo, con lo que han aumentado la capacidad de la batería sin tener una gran pérdida en materia de seguridad, que sí se produciría si se aumentase la distancia entre electrodos.
La investigación realizada por este grupo de investigación, cuyos resultados se han publicado en la prestigiosa revista científica Scientific Reports de la editorial Nature, propone establecer una tensión de 5,1 voltios para el cátodo y de 1.8 voltios para el ánodo, consiguiendo una pila experimental que supera los 400 Wh/kg, triplicando la densidad energética de las pilas actuales. Además, este grupo de investigación ha implementado esta tecnología en situaciones realistas, consiguiendo una densidad de energía de hasta 284 Wh/kg. Esta reducción de las prestaciones al implementar la pila en situaciones reales, tal y como mencionan los autores del estudio, se debe a que al adaptar la batería a un dispositivo concreto hay que ajustar las características de la pila, reduciéndose sus prestaciones. Sin embargo, pese a la reducción de las prestaciones, la densidad energética que se obtiene sigue siendo en torno al doble de las que tienen las baterías actuales.
El último paso de esta investigación consistirá en hacer llegar esta tecnología al mercado. En este sentido, el grupo de investigación de la Universidad de Córdoba está trabajando en conseguir un desarrollo escalable de la misma, con el objetivo de que puedan ser utilizadas tanto en la industria electrónica como en el sector de la movilidad eléctrica.
