Baterías de iones de litio vs. Celdas de combustible
Las baterías de iones de litio y las celdas de combustible son dos tecnologías de baterías ampliamente utilizadas en el sector energético moderno, desempeñando roles fundamentales en la conversión y almacenamiento de energía.
Sin embargo, presentan diferencias significativas en sus principios de funcionamiento, áreas de aplicación y características.
Veamos las principales diferencias entre estas dos tecnologías de baterías.
1. Diferencia en los Principios de Funcionamiento
El principio de funcionamiento de una celda de combustible es similar al de una batería de iones de litio, ya que ambas implican la liberación de electricidad cuando los materiales del electrodo negativo son oxidados por los materiales del electrodo positivo. En el caso de una celda de combustible, se trata de una reacción en la que el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua, similar a una combustión lenta.
La diferencia radica en el uso de iones de H en lugar de iones de Li para los procesos de carga y descarga, por lo que las celdas de combustible también pueden denominarse ‘baterías de iones de H (hidrógeno)’.
Sin embargo, es importante destacar que actualmente solo se han comercializado celdas de combustible de un solo uso, no recargables.
2. Comparación de las Características entre Baterías de Iones de Litio y Celdas de Combustible
(1) Seguridad
Riesgos de seguridad de las celdas de combustible: La fuga y el control del gas de hidrógeno son las principales fuentes de riesgos de seguridad en los sistemas de celdas de combustible, y pertenecen al aspecto físico.
Por otro lado, los riesgos de seguridad en las baterías de iones de litio provienen principalmente de reacciones en cadena difíciles de controlar, que pertenecen al aspecto químico.
Debido a que las reacciones en cadena ocurren extremadamente rápido, desde el punto de vista de la controlabilidad, las baterías de iones de litio son más difíciles de controlar que las celdas de combustible.
Sin embargo, en casos de colisiones extremas y violentas, el daño potencial causado por las celdas de combustible es mayor.
Por supuesto, esto es solo una consideración teórica, ya que las características de escape rápido del gas de hidrógeno resultan en tiempos de fuga muy cortos. Además, los cilindros de hidrógeno de alta presión están diseñados para resistir impactos, caídas, disparos y otras condiciones no convencionales, proporcionando seguridad garantizada.
(2) Rendimiento a Bajas Temperaturas
Debido al aumento de la viscosidad del electrolito y a la disminución de la conductividad eléctrica a bajas temperaturas, la resistencia interna de la batería aumenta bruscamente, lo que generalmente desaconseja la descarga por debajo de cero grados Celsius.
Por lo tanto, las baterías de iones de litio requieren calentamiento externo para abordar los problemas de bajas temperaturas.
Las celdas de combustible tienen un pobre rendimiento de arranque a bajas temperaturas, pero a medida que arrancan y generan su propio calor, la temperatura del conjunto de celdas se estabiliza rápidamente dentro del rango de temperatura de trabajo normal de 80-90°C.
Sin embargo, cómo las celdas de combustible logran el arranque a bajas temperaturas, especialmente sin el uso de energía auxiliar externa, es un importante tema de investigación.
(3) Costo
En general, tanto las celdas de combustible como las baterías de iones de litio son más caras que las fuentes de energía tradicionales.
En particular, la complejidad y los estrictos requisitos para la obtención, almacenamiento y uso seguro del hidrógeno han llevado a costos elevados para las celdas de combustible de hidrógeno, lo que dificulta obtener una ventaja a corto plazo.
Si observamos datos de producción a gran escala, los costos de las baterías de iones de litio eventualmente superarán los 1000 yuanes/kWh (appro USD 142 / kWh ).
El costo de las celdas de combustible todavía es alto en la actualidad y se espera que, a largo plazo y con la posibilidad de implementación a gran escala, se acerque a los precios actuales de los motores de combustión interna.
(4) Duración de la Carga
El largo tiempo de carga siempre ha sido un punto doloroso persistente para las baterías de iones de litio.
En el modo de carga típico, un vehículo equipado con una batería de iones de litio tarda de 3 a 8 horas en cargarse por completo.
En contraste, las celdas de combustible son mucho más convenientes y rápidas. Por ejemplo, con las celdas de combustible de hidrógeno, repostar con hidrógeno solo lleva de 3 a 5 minutos para volver a estar al máximo de potencia.
(5) Autonomía
Esto puede ser el punto más crítico para todos los vehículos eléctricos, especialmente los autos con baterías de iones de litio.
Las baterías de iones de litio tradicionales tienen dificultades para superar los 500 km en términos de autonomía.
En contraste, las celdas de combustible con mayor densidad de energía y peso más ligero pueden lograr aún más autonomía.
(6) Impacto de la Temperatura
Los vehículos de celdas de combustible pueden mantener la misma autonomía que en verano mediante una gestión térmica integral del vehículo, algo que las baterías de iones de litio no pueden lograr.
Ya sea calefacción PTC o aire acondicionado, las baterías de iones de litio consumen electricidad.
Las celdas de combustible consumen electricidad para el aire acondicionado en verano, pero en invierno solo utilizan el calor residual para la aislación y calefacción de la cabina de pasajeros.
Por lo tanto, teóricamente, la autonomía en invierno debería ser mayor que en verano.
Actualmente, hay organizaciones realizando investigaciones de generación de energía con calor residual basadas en el ciclo Rankine, que, de tener éxito, mejorarán aún más la eficiencia de las celdas de combustible.
(7) Equilibrio de Costos
Los puntos de equilibrio de costos difieren entre los vehículos de celdas de combustible y los vehículos eléctricos puros, siendo alrededor de 500 kilómetros para los automóviles de pasajeros y alrededor de 100 kilómetros para los vehículos comerciales.
Los sistemas de celdas de combustible de hidrógeno son más adecuados para reemplazar los motores diésel,
Mientras que los sistemas de baterías de iones de litio son más adecuados para reemplazar los motores de gasolina.
Tipo de Batería | Celdas de Combustible de Hidrógeno | Baterías de Iones de Litio |
Tiempo | Recarga rápida en 3-5 minutos con inyección directa de hidrógeno | Largos tiempos de carga, que van desde 3 hasta 8 horas para una carga completa |
Grado de Contaminación | El componente principal de las celdas de combustible de hidrógeno es el hidrógeno, que no contamina el medio ambiente al final de su vida útil | Las baterías de iones de litio contienen contaminantes tóxicos como metales pesados como níquel, cobalto y arsénico, que requieren reciclaje y una disposición adecuada |
Autonomía | Un rango de más de 500 kilómetros | Normalmente ofrecen un rango de 150 a 250 kilómetros, con solo algunos productos como Tesla que ofrecen rangos que superan los 300 kilómetros |
Costo de Estaciones de Carga | Altos costos para las estaciones de recarga de hidrógeno, que oscilan entre 1 y 2 millones de dólares estadounidenses | El costo de construcción de las estaciones de carga Tesla Supercharger es aproximadamente de 300,000 yuanes |
Costo de Baterías | Altos costos para el catalizador requerido en las reacciones químicas de las celdas de combustible de hidrógeno, que utilizan metales raros y costosos como el platino, incluso más costoso que el oro | Las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y automóviles, y son rentables |
Conclusión
En conclusión, las celdas de combustible y las baterías de iones de litio son dos tecnologías que pueden coexistir en el futuro durante un período prolongado. Esto se debe a que se complementan en términos de deficiencias técnicas, satisfaciendo las demandas y experiencias de los usuarios.
Por otro lado, cuando las celdas de combustible y las baterías de iones de litio trabajan juntas, pueden prolongar la vida útil de las celdas de combustible. Actualmente, la mayoría de los vehículos de celdas de combustible en el mercado están equipados tanto con celdas de combustible como con baterías de iones de litio o níquel-metal hidruro.
La presencia de baterías de iones de litio o níquel-metal hidruro ayuda a mantener una producción de energía estable para las celdas de combustible a largo plazo, lo que es beneficioso para prolongar su vida útil.
