Tecnología de baterías: Mirar más allá de lo obvio

Cómo la tecnología LTO puede reducir el coste total de propiedad en aplicaciones como AGV

Autor: Volker Schumann, Director General de Ventas de Baterías, Toshiba Electronics Europe GmbH

La tecnología de las baterías está evolucionando rápidamente y, a primera vista, los objetivos pueden parecer obvios: simplemente exprimir la mayor capacidad posible en el menor espacio y al menor coste. Mientras que en algunas aplicaciones, como los vehículos eléctricos de carretera, esto puede ser cierto, otras aplicaciones requieren una forma diferente de pensar y enfoques alternativos pueden lograr un rendimiento aún mayor a un coste menor.

En este artículo técnico, Toshiba analizará la tecnología de baterías LTO y considerará cómo puede aportar ventajas significativas tanto en términos de rendimiento como de coste en aplicaciones pesadas en las que las baterías se cargan y descargan con frecuencia. Los vehículos de guiado automático (AGV) se utilizan como ejemplo para mostrar cómo la tecnología LTO puede ayudar a optimizar la batería y reducir el coste total de propiedad.

A medida que la presión medioambiental y la disminución de las reservas de combustibles fósiles empujan a la industria automovilística a sustituir el motor de combustión interna (ICE) por la propulsión eléctrica, el paquete de baterías se convierte en el elemento definitorio en términos de autonomía del vehículo. Los diseñadores se ven impulsados a fabricar baterías que ofrezcan cada vez más capacidad por unidad de volumen sin dejar de reducir el coste, medido en euros/kWh.

De hecho, ese es exactamente el enfoque correcto para los vehículos que deben recorrer largas distancias, pero se cargan con relativa poca frecuencia. Sin embargo, para otras aplicaciones, como los vehículos pesados ferroviarios, marítimos o todoterreno, un examen cuidadoso de otras tecnologías puede reducir los costes y aumentar las prestaciones. En lugar de maximizar la capacidad de la batería al menor coste, a menudo es más beneficioso optimizar la capacidad de la batería mediante recargas rápidas periódicas, como las que permite el uso de la tecnología LTO.

Tecnología de baterías de óxido de litio y titanio (LTO)

La tecnología LTO tiene una estructura química fundamentalmente diferente a la de otras baterías, lo que la convierte en la tecnología de iones de litio (Li-Ion) más potente y robusta que existe. En las baterías LTO, el ánodo está formado por nanocristales de titanato de litio (Li₄Ti₅O₁₂) en lugar del más común polvo de grafito.

Figura 1: Los iones de Li pueden entrar fácilmente en los huecos de la estructura espinela del LTO

La superficie de este material es treinta veces mayor que la del carbono. Evita el reto de la intercalación rápida y reversible de los iones de litio en el carbono. En su lugar, los iones pueden ocupar fácilmente los huecos de la estructura cristalina durante la carga, lo que confiere a una batería LTO una resistencia interna muy reducida que puede soportar corrientes más elevadas.

Se considera que la estructura de espinela de un ánodo LTO es de «tensión cero», ya que apenas muestra cambios de volumen (si los hay) al insertar y extraer iones de litio. Esto proporciona a la batería una excelente estabilidad cíclica. Incluso tras 8.000 ciclos de carga y descarga continuas a 5C desde el 10 al 90% del rango SOC completo, la última pila LTO de alta potencia de Toshiba mantuvo casi el 100% de su capacidad nominal y no mostró ninguna degradación perceptible.

LTO ofrece un voltaje de celda más bajo de 2,3 V en comparación con los 3,6 V que se encuentran en otras celdas de iones de litio. Esto se traduce en una menor energía específica, aunque las baterías LTO siguen siendo capaces de superar los 100 Wh/kg, aunque menos que una pila NMC o LFP comparable de última generación.

Sin embargo, el impacto positivo de esta reducción en el voltaje de la celda es que proporciona un margen de seguridad que elimina el riesgo de metalización del Li. Como resultado, las pilas LTO son extremadamente seguras y no se forman dendritas de Li, ni siquiera cuando se cargan rápidamente a bajas temperaturas. En el improbable caso de que se produzca un cortocircuito interno, las pilas LTO se descargarán mucho más lentamente que las pilas con ánodo de carbono. La reacción química más lenta significa que se genera menos calor, por lo que el riesgo de fuga térmica o propagación térmica, es mucho menor que con otros tipos de pilas de iones de litio. Esto es de vital importancia en aplicaciones como las marinas.

Celdas LTO en aplicaciones AGV

A medida que las empresas buscan ser más eficientes, la automatización se está extendiendo por todas las fábricas. Un área de especial interés son los AGV, pequeños vehículos eléctricos que se utilizan para mover materias primas y mercancías por la fábrica y el almacén. A menudo, los AGV funcionan las 24 horas del día, a veces en entornos exigentes como almacenes refrigerados o salas blancas.

Si consideramos el perfil de trabajo típico de un AGV pequeño, podemos empezar a comprender las ventajas de la tecnología de baterías LTO en estas aplicaciones. Alrededor del 75% del tiempo se dedica a la conducción con un bajo consumo de energía.

Al subir la carga se consume la mayor parte de la energía, mientras que al bajarla se recupera y se devuelve a la batería. En una jornada típica de 20 horas, un AGV de este tipo consumirá unos 4,8 kWh de energía, suponiendo que se realicen unas 1.200 carreras.

A la hora de considerar la estrategia de carga y seleccionar la batería óptima hay dos opciones. El AGV puede funcionar durante toda la jornada laboral y agotar una batería grande que puede recargarse en aproximadamente una hora, o bien pueden realizarse recargas periódicas para mantener una batería mucho más pequeña durante el día. En términos de tiempo de trabajo, los dos escenarios son iguales, con 60 minutos de cada día dedicados a la carga.

La primera opción de recarga diaria requiere una batería con una capacidad de 165 Ah. Por tanto, incluso utilizando la tecnología NMC con una densidad energética muy alta de 200 Wh/kg, la batería seguiría pesando casi 40 kg. En la segunda opción, una batería con una capacidad mucho menor, de unos 16,5 Ah, se recarga durante el funcionamiento durante seis minutos, diez veces al día. El reto es que, para funcionar de este modo, se requiere una carga mucho más rápida: la potencia de carga relativa es diez veces superior (6C). Sin embargo, esto está totalmente dentro de las posibilidades de la tecnología LTO, que puede recargarse más rápidamente (incluso a bajas temperaturas) sin riesgo de que el metal de litio se recubra. Como resultado, a pesar de la menor densidad energética, esta solución pesa menos de 10 kg y, suponiendo un factor de dos para el euro/kWh, el coste de las celdas seguiría siendo sólo una quinta parte.

Aparte del menor coste inicial de la batería, su menor tamaño y peso facilitarán el diseño y reducirán el coste del AGV. El funcionamiento será mucho más eficiente y serán posibles nuevos casos de uso, como lanzaderas conectadas a las estanterías del almacén.

Desde el punto de vista de la robustez y la resistencia, la solución LTO es la mejor. No sólo el riesgo de incendio es mínimo, las baterías LTO no necesitan un entorno cálido para cargarse y durante su larga vida útil es probable que se necesiten dos o tres juegos de baterías NMC.

Solución de paquetes de baterías SCiB de Toshiba

La gama de baterías Super Charge Ion Batteries (SCiB) de Toshiba incluye una batería LTO de 24 V / 22 Ah diseñada específicamente para aplicaciones industriales como los AGV. El pack puede funcionar de -30ºC a +45ºC y es capaz de suministrar hasta 125 A durante 200 segundos.

Con unas dimensiones de 247 x 188 x 165 mm y un peso de sólo 8 kg, las baterías SCiB pueden conectarse en paralelo o en serie (para un funcionamiento a 48 V). Los datos de estado y diagnóstico se proporcionan a través del bus CAN.

Resumen

Los AGV son cada vez más comunes y, para tener éxito, deben ser pequeños, maniobrables, fiables y de bajo coste de adquisición y funcionamiento. La selección de la batería adecuada es clave para conseguirlo y, aunque el mantra de las baterías suele ser «más capacidad a menor coste», la elección de una batería LTO puede reducir drásticamente los costes y ofrecer al mismo tiempo una solución más segura y robusta.