Una ola de frío intenso en Chicago obligó a los conductores de vehículos eléctricos (EV) a hacer cola durante horas en las estaciones de carga el mes pasado; algunos incluso se encontraron varado cuando se les acabó la batería mientras esperaban en las colas. El recargable Las baterías de iones de litio que alimentan la mayoría de los vehículos eléctricos funcionan mal en condiciones de frío, por lo que científicos y fabricantes de automóviles de todo el mundo están ocupados buscando soluciones. Estos incluyen modelos de computadora más sofisticados para garantizar el máximo rendimiento, así como baterías más resistentes que mantienen a los automóviles en funcionamiento (y a sus conductores seguros), ya sea que haga mucho frío o calor en la carretera.
Estas actualizaciones tienen como objetivo abordar barreras importantes para la prometida revolución de los vehículos eléctricos. La administración Biden está trabajando en aumentar la propiedad de vehículos eléctricos en un ambicioso esfuerzo para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, y el presidente espera que los vehículos eléctricos constituyan medio de todos los vehículos nuevos vendidos en EE. UU. para 2030 (frente a aproximadamente 8 por ciento de ventas de automóviles en el primer semestre de 2023). Pero los percances recientes, como el estancamiento de los automóviles en Chicago, muestran cómo la actual tecnología de vehículos eléctricos podría fracasar a medida que el clima futuro se vuelva aún más extremo: el cambio climático continúa subir temperaturas globales promedio, pero esto altera los patrones que durante mucho tiempo han regulado el clima del planeta, por lo que el calentamiento general puede marcar el comienzo de peores olas de frío.
“El frío extremo introduce riesgos de seguridad al cargar baterías”, dice Paul Gasper, científico del grupo de Almacenamiento de Energía Electroquímica del Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Los científicos generalmente consideran que las baterías de iones de litio son seguras de usar en un entorno relativamente angosto rango de temperatura: entre 32 y 140 grados Fahrenheit (cero a 60 grados Celsius), pero las estimaciones varían. Cuando se alcanzan los 20 grados F (menos siete grados C) en el exterior, la autonomía de conducción promedio de un vehículo eléctrico cae un 12 por ciento en comparación con su autonomía a 75 grados F (24 grados C), según la Asociación Estadounidense del Automóvil. encontró en 2019. Para entender por qué, tenemos que sumergirnos en la química que alimenta la batería de un vehículo eléctrico.
Sobre el apoyo al periodismo científico
Si está disfrutando este artículo, considere apoyar nuestro periodismo galardonado al suscribiéndose. Al comprar una suscripción, ayudas a garantizar el futuro de historias impactantes sobre los descubrimientos y las ideas que dan forma a nuestro mundo actual.
Control de temperatura
Cuando se cargan las baterías de los vehículos eléctricos, se utilizan iones de litio que transportan carga. viajar a través de un electrolito líquido de un extremo de cada celda de la batería al otro (entre el cátodo positivo y el ánodo negativo). Luego, a medida que los automóviles consumen la energía almacenada en la batería durante los viajes, los iones regresan en la dirección opuesta. Si una batería se enfría (en una ola de frío, por ejemplo), la carretera líquida entre el ánodo y el cátodo se espesa, lo que ralentiza los iones. Esto significa que las baterías más frías pueden tardar más en cargarse y pueden perder esa carga antes que a temperaturas más suaves.
Cargar automóviles cuando la temperatura es inferior a 32 grados F puede hacer que los iones de litio se amontonar en la superficie del ánodo porque las partículas no pueden moverse lo suficientemente rápido. Estos grupos de iones, conocidos como revestimiento, pueden provocar un cortocircuito en la batería e incluso Chispa – chispear una explosión. (Aún así, los coches eléctricos se incendian relativamente raramente en comparación con los automóviles que funcionan con gasolina, y los investigadores están estudiando diseños para pilas que se apagan solas.)
Además de esto, todo el vehículo eléctrico trabaja horas extras para calentar las cosas. Su sistema de gestión térmica, que regula la temperatura de la batería, el motor eléctrico y otros componentes también agota la carga. Y cuando un conductor enciende la calefacción de la cabina, la batería debe alimentar el sistema HVAC y otros dispositivos como el desempañador y los calentadores de asientos. Los coches de gasolina con motor de combustión interna también sufren el frío; su economía de combustible se reduce alrededor de un 15 por ciento a 20 grados F, en comparación con lo que obtendrían a 77 grados F (25 grados C), de acuerdo a el Departamento de Energía de EE.UU. Pero la pérdida equivalente de un vehículo eléctrico puede afectar 39 por ciento a 20 grados F.
Los días extremadamente calurosos también pueden perjudicar el rendimiento de un vehículo eléctrico. Las temperaturas más altas aceleran los iones que viajan y, en cierto punto, esto desencadena una cascada de reacciones químicas no deseadas que pueden degradar los componentes de la batería (incluido el electrolito) durante la vida útil de un automóvil. Cuando las temperaturas exteriores alcanzan los 95 grados F (35 grados C) y los conductores encienden el aire acondicionado, el campo de prácticas puede aumentar. disminuir en un 17 por ciento, según el informe de la AAA.
Ajustes de IA
Modificar el software del coche permite aprovechar mejor las baterías que ya están en el mercado. Los Tesla y otros vehículos eléctricos con sofisticadas computadoras a bordo utilizan complejos modelos de inteligencia artificial para garantizar que las baterías funcionen de manera segura y eficiente; Estos programas de inteligencia artificial analizan datos de sensores de temperatura y voltaje para evitar la sobrecarga de la batería y predecir qué distancia puede recorrer un automóvil con la carga restante. Los Teslas también tienen una característica llamada preacondicionamiento, en el que los coches calientan o enfrían su batería hasta la temperatura de carga adecuada. Pero estos modelos necesitan algunas mejoras, afirma Gasper.
Por un lado, podrían personalizarse mejor para tener en cuenta el estado de la batería a medida que se degrada con el tiempo, explica. También cree que los modelos de IA podrían impulsar a los automóviles a funcionar en un rango más amplio de temperaturas (distribuyendo refrigerante o controlando ventiladores, por ejemplo) sin representar riesgos para el automóvil o el conductor. A medida que estos modelos mejoren, podremos confiar más en los vehículos eléctricos para gestionar de forma segura la batería “en su ventana operativa más amplia posible”, afirma Gasper.
Por ahora, los modelos de IA solo pueden brindar a los conductores una aproximación de los niveles de carga actuales y el estado de la batería, dice el ingeniero eléctrico I. Safak Bayram, profesor asociado de la Universidad de Strathclyde en Escocia. Es por eso que los conductores de vehículos eléctricos a menudo experimentan caídas repentinas en las estimaciones de autonomía de su vehículo, añade. En Chicago este enero quedó un conductor de Uber varado a pesar de que su auto mostraba que le quedaban 30 millas de batería.
Pero los modelos de IA más inteligentes sólo pueden impulsar a los automóviles hasta cierto punto, afirma Gasper. Llevar los vehículos eléctricos al siguiente nivel en cuanto a soportar temperaturas extremas también requerirá avances en la tecnología de las baterías..
Mejores baterías
Los científicos están probando múltiples estrategias para hacer que las baterías sean más resistentes a la intemperie. Un método prometedor es mejorar el electrolito. Zheng Chen, científico de materiales e ingeniero de la Universidad de California en San Diego, y sus colegas crearon un nuevo electrolito que funcionó bien en pruebas de laboratorio a temperaturas tan bajas como -40 grados F (-40 grados C) y altas como 122 grados. F (50 grados C), según un estudiar Los investigadores publicaron en 2022.
El equipo logró esto mezclando una sal de litio con un solvente llamado éter dibutílico, que pasa fácilmente alrededor de los iones de litio y permanece líquido incluso a temperaturas bajo cero y muy altas. Aunque la receta es prometedora, es difícil decir si funcionará a gran escala con piezas de batería disponibles comercialmente. Y este tipo de fórmula probablemente no sea la única solución: fabricantes de automóviles usar una variedad de materiales en las baterías de iones de litio, que modifican continuamente para mantenerse al día con el progreso tecnológico y garantizar, por ejemplo, componentes más asequibles o mayor autonomía. Ningún disolvente o sal metálica puede combinarse con todos los materiales de batería del mercado, afirma Chen.
Si bien es difícil encontrar electrolitos y otros materiales que sobresalgan en diferentes condiciones del mundo real, Gasper dice que la inteligencia artificial puede ayuda acelerar el proceso de descubrimiento. Los investigadores tienen programado robots inspirados en la tecnología la industria farmacéutica ya usos para el descubrimiento de fármacos para probar sustancias candidatas.
Algunos expertos creen que las baterías autocalentables podrían ser otra forma de ayudar a los vehículos eléctricos a combatir el frío. En 2018, científicos de la Universidad Estatal de Pensilvania Anunciado Habían creado una batería de este tipo incorporando una lámina de níquel que intercepta los electrones cuando la batería desciende por debajo de la temperatura ambiente. Los electrones capturados calientan la lámina y, a su vez, calientan toda la batería. Los científicos dicen que esto podría permitir que las baterías se carguen rápidamente incluso a temperaturas tan bajas como –58 grados F (–50 grados C). Otros enfoques, como aprovechar pulsos de corriente eléctrica del motor del coche, también puede calentar las baterías para una carga más rápida en el frío.
Pero los ingenieros de vehículos eléctricos se enfrentan a una dilema Lo llaman el “problema AND”: es difícil diseñar una batería que funcione de manera eficiente en una variedad de entornos y sigue siendo asequible y duradero. “Estamos tratando de equilibrar el costo, el rendimiento y la seguridad”, dice Chen. Las empresas automovilísticas pueden abordar estos factores de forma diferente según sus prioridades. Algunos, por ejemplo, valoran más un mayor rendimiento que la asequibilidad y pueden incorporar materiales de batería más caros. Es por eso que los vehículos eléctricos más caros tienden a tener un alcance de millas mayor.
En última instancia, puede ser mejor adaptar los diseños de baterías a climas específicos en todo el país y el mundo, sugiere Gasper. Los conductores en climas más cercanos a los polos utilizarían baterías adecuadas para el frío. Mientras tanto, las baterías resistentes al calor serían especialmente importantes para las personas que viven en regiones ecuatoriales. Allí se pueden producir reacciones químicas más rápidas, provocadas por el calor. degradar baterías, lo que podría generar costos más elevados a largo plazo para los vehículos eléctricos en regiones donde los ingresos son inferiores al promedio mundial. “Es una cuestión de justicia económica”, dice Gasper. La industria aún no ha llegado a ese punto, pero es un problema que los expertos en vehículos eléctricos saben que deben resolver.