The Battery Cycle #2: NMC, LFP, LTO. ¿Cuál es la diferencia?

¿Qué expresan NMC, LFP, LTO y otras similares?, ¿Qué propiedades comparten y cuáles son sus puntos fuertes y débiles?

A continuación, una contribución de Claudius Jehle, director general (CEO) de volytica diagnostics GmbH (https://www.volytica.com). Su artículo original se encuentra en https://www.sustainable-bus.com/news/nmc-lfp-lto-battery-explained/.

También puedes ver: The Battery Cycle #1: una serie de artículos que aclaran cuestiones sobre las baterías

Hoy vamos a desglosar el célebre término "batería de iones de litio" y a analizar las múltiples abreviaturas que suelen acompañarlo. ¿Qué expresan NMC, LFP, LTO y otras similares, qué propiedades comparten y cuáles son sus puntos fuertes y débiles?

El principio básico de todas las baterías de iones de litio es: iones de litio en circulación.

En una celda de batería completamente cargada, muchos miles de millones de átomos de litio quedan atrapados en un depósito poroso que llamamos ánodo, normalmente una lámina o una hoja de algún material concreto que investigaremos más adelante. Están incrustados dentro de la estructura del material como paracaidistas en un avión, listos para dejar su lugar y viajar al depósito opuesto para descansar, llamado cátodo.

Su engorroso recorrido se desencadena al conectar externamente el ánodo y el cátodo, por ejemplo, mediante un motor eléctrico. Una vez cerrado el interruptor, hacen fila para salir del ánodo hacia el cátodo y, de paso, cada uno libera un electrón que recorre el largo recorrido a través del circuito externo para alimentar el motor ("corriente eléctrica").

Una vez liberados, cada uno se abre paso a través de un elemento intermedio diseñado tanto para permitir un transporte rápido como para mantener el ánodo y el cátodo separados a corta distancia (para evitar cortocircuitos). Este requisito contradictorio (permeabilidad, ligereza y delgadez, pero aislamiento y robustez) causa un gran dolor de cabeza a los ingenieros y, de hecho, es un peso "muerto" que disminuye la capacidad por volumen y peso. Hoy en día, los líquidos/polímeros químicos de baja viscosidad ("electrolito") sumergidos en una matriz ("separador") son el estado del arte.

En otro artículo abordaremos el tema de las baterías de estado sólido, en las que el electrolito líquido y el separador se sustituyen por un material sólido, lo que resuelve muchos problemas pero provoca otros nuevos. Pero atención: "El estado sólido sustituirá a las baterías de iones de litio" es como decir que "los bananos sustituirán a toda las frutas": es sólo otra forma de construir celdas de iones de litio.

Un proceso aparentemente trivial

Después de abrirse paso a través del electrolito, despliegan su paracaídas, reduciendo la velocidad antes de abarrotar las entradas del material catódico y, de nuevo uno a uno, encuentran posiciones energéticamente ventajosas dentro de la red catódica migrando lentamente hacia el interior del material.

Queda claro que el proceso aparentemente trivial -que ocurre de forma similar, pero no idéntica, durante la carga- implica la interacción de los iones con una multitud de materiales diferentes, a distintas velocidades y en distintos procesos. Imaginemos sólo el efecto obvio de la temperatura sobre la viscosidad del electrolito y, por tanto, la velocidad de proceso de este crucial pasaje intermedio, o los efectos perjudiciales para la salud debidos al estrés por la expansión mecánica de forzar miles de millones de iones voluminosos en un material estrechamente empaquetado - pero investigaremos la degradación en un artículo aparte.

Ahora, para simplificar, podemos decir que el depósito del ánodo está casi siempre hecho de grafito (además de una multitud de aditivos super secretos, variaciones de fabricación y procesamiento, etc. que hacen que las afirmaciones generales sean siempre difíciles), por lo que normalmente no lo mencionamos en los comunicados. Una excepción es el LTO, que mencionaremos brevemente más adelante.

Muchas composiciones cuando se trata de cátodos

Sin embargo, cuando se trata del cátodo, el tema se complica. Los materiales catódicos hechos de una composición de níquel (Ni),manganeso (Mn), el muy discutido cobalto (Co) y a veces también aluminio (Al), todos en composiciones muy variadas y de nuevo con aditivos y recetas secretas no reveladas, se denominan NMC o NCA. Estos cátodos suelen tener las siguientes propiedades:

  • Mayor densidad de energía (muchos asientos para iones en paracaídas por volumen)
  • Menor vida útil (la energía densamente empaquetada tiene un precio).
  • Menores márgenes de seguridad (ídem).
  • Mayor precio.

 

En particular, la propiedad de densidad de energía superior, que además puede ajustarse aumentando el contenido de níquel[1] (y, por desgracia, disminuyendo igualmente la expectativa de vida útil), hace que hoy en día las celdas NMC sean la composición química elegida para aplicaciones de alto rendimiento, de largo alcance y de alta gama.

El principal antipolo son los cátodos de LiFePO4 (fosfato de hierro y litio, LFP), famosos por ser…

  • Menor densidad energética que el NMC.
  • Bastante robusto.
  • Relativamente económico (materiales abundantes, sin Ni y sobre todo Co).

A pesar de la creciente popularidad de los sistemas basados en LFP, el precio más bajo (facilitado por la producción en masa, especialmente en China) no puede compensar totalmente la menor densidad energética, y las celdas de LFP presentan una característica muy singular: en un rango muy amplio de SOC (estado de carga), su voltaje prácticamente no cambia. Esto es bueno para la electrónica de potencia, pero, como veremos en dos artículos futuros, hace que la determinación del SOC y el equilibrio de las células sea un trabajo francamente frustrante, lo que hace que las aplicaciones de LFP sean generalmente propensas a problemas de funcionamiento inesperados y a interrupciones, agravando aún más el hecho de que la densidad energética sea menor. 

Por último, pero no menos importante... LTO

Por último, pero no menos importante, hay al menos una exótica: celdas con un ánodo que no es de grafito, sino de Litio-Titanato (Lithium-Titanium-Oxide, LTO), a menudo emparejado con un cátodo LFP. Estas celdas de LFP-LTO a menudo se denominan incorrectamente sólo LTO, malversando el material decisivo del cátodo. Estos sistemas suelen ser las fuerzas especiales:

  • Extremadamente robustas ("de grado militar"), en cuanto a seguridad y longevidad (10-30x LFP o NMC)
  • Muy baja densidad de energía (inferior a la de baterías antiguas ya olvidadas, como las de NiMH)
  • Bastante costosas (al menos un 50-150% más caras que las NMC).

Hay que tener en cuenta que, como se ha dicho, sólo podemos hablar de tendencias. Hay una gran variedad de posibilidades para que el fabricante de células afine el rendimiento o saque provecho de las propiedades particulares, que las generalizaciones son a menudo "hielo fino".

En resumen: Como siempre en la vida, no hay nada en la vida que sea gratis. Las baterías de iones de litio comparten un mecanismo básico común de transporte de iones através de un medio, y una impresionante gama de combinaciones diferentes de dichos medios empujan el rendimiento en una dirección u otra. Se hacen mejoras aquí y allá, pero no se puede esperar de forma realista un salto gigantesco en la densidad energética sin efectos negativos en, por ejemplo, la vida útil.

Existen reglas generales, pero la pieza de desgaste más cara de un vehículo eléctrico requiere y seguirá requiriendo mucha atención.

[1] si se utilizan Ni, Mn y Co en proporciones iguales, se dice "NMC111".