qué es la densidad energética de una batería y cómo ha evolucionado en los últimos años
La densidad energética de las baterías de los vehículos eléctricos ha sido uno de los talones de Aquiles en materia de electrificación. Durante el último siglo de investigación hemos presenciado tímidos avances en densificación, eficiencia y materiales, pero los últimos años han sido fascinantes.
En la actualidad, tenemos coches eléctricos capaces de alcanzar autonomías de más de 500 kilómetros, y vehículos como el Scenic E-Tech 100% eléctrico llega a los 620 kilómetros de autonomía gracias a un aumento del 6% de la densidad y una capacidad de 87 kWh. Así ha cambiado la densidad energética, tanto volumétrica como gravimétrica.
¿qué es la densidad energética de las baterías?
La densidad energética, también llamada densidad de energía, es una cifra que indica cuánta energía es posible acumular dentro de cierta cantidad de materia o en cierto volumen. Esta cifra es clave porque cuanta mayor sea la densidad energética de una batería o de un combustible, más autonomía será capaz de transportar el vehículo y menos energía será necesaria para desplazar esa capacidad. Pensemos en que los depósitos de los coches o sus baterías han de ser transportados usando la energía que contienen.
Existen varias formas de hablar de densidad de energía:
- Densidad energética gravimétrica. Expresa cuánta energía se puede guardar por unidad de masa de combustible o batería. Suele medirse usando kilovatios-hora divididos entre kilogramo, kWh/kg, aunque también es posible verla como megajulios entre kilogramo MJ/kg o en sus referencias básicas: julio entre gramo (J/g).
- Densidad energética volumétrica. Expresa cuánta energía se puede guardar por unidad de volumen de combustible o batería. Generalmente, se expresa como kilovatios-hora entre litros (kWh/L), entendiéndose ese litro como un cubo de 10 cm3 o 0,001 m3.
Una alta densidad de energía gravimétrica implica que es posible almacenar más energía en menos peso, y una alta densidad de energía volumétrica significa que es posible almacenar más energía en menos espacio. Existe cierta relación entre densidad de energía gravimétrica y densidad de energía volumétrica: generalmente, ambas tienden a subir o bajar juntas, de modo que a más densidad gravimétrica se suele tener también más densidad volumétrica, y viceversa.
Por descontado, ambas son cualidades que persigue la industria del vehículo a motor desde hace más de un siglo ya que resultan imprescindibles para que los vehículos resulten convenientes. Pero que a su vez van en línea con la fabricación de todo tipo de objetos: portátiles, teléfonos móviles, sistemas de almacenamiento doméstico o industrial, etc.
La densidad de potencia, una densidad mucho menos usada y también medible en masa (kW/kg) o volumen (kW/L), indica la cantidad de potencia que puede entregar una batería. Sin embargo, esta métrica suele ser bastante menos relevante para los usuarios y más importante para quienes diseñan motores eléctricos o baterías de iones de litio.
la impresionante evolución de la densidad de energía
Los primeros coches eléctricos fabricados en cadenas de montaje, poco menos que un carruaje sin caballo, disponían de autonomías ridículas. Con un peso considerable en baterías de plomo ácido, tenían suerte si alcanzaban pocas decenas de kilómetros y su eficiencia (porque lo cierto es que eran eficientes) se lograba con velocidades bastante limitadas: unas 18 millas por hora en llano, lo que permitía carrocerías nada aerodinámicas en las que el Cx no importaba.
La curva de densidad energética de las baterías estuvo prácticamente plana durante todo el siglo XX, y aunque a finales ya era posible ver cierto despunte, la aceleración se vio a finales de la década de los 2000. De 2008 a 2020 las baterías de Ión-Litio pasaron de una densidad de energía pico de apenas 55 kWh/L a más de 450 kWh/L, y al poco vimos cómo el coste de fabricación caía (de 35 GBP en 2015 a 34 GBP en 2021).
¿Hasta dónde será posible estirar la tecnología de iones de litio? Existen indicios fiables de que la tecnología actual puede alcanzar, en condiciones ideales, los 1.250 kWh/kg, algo que ahora se considera prácticamente una fantasía debido a que no disponemos de la tecnología de fabricación. Al menos no aún.
Y es posible que a medida que la tecnología mejore con el tiempo incluso abandonemos la rama actual de baterías —se estima que las baterías de nanotecnología litio-aire multiplicarán por cuatro la densidad energética de las de IonLI— como ya se abandonaron otras ramas menos densas energéticamente, entre ellas plomo ácido, NiCd o NiMH.
¿cómo se trasladan estas mejoras en densidad energética a los vehículos eléctricos
En 2016, el Renault Zoe de aquel entonces disponía de una batería de 41 kWh. En 2019 era de 52 kWh, reduciendo su masa y volumen. Un salto similar lo hemos visto en la reciente mejora de baterías de IonLi de Megane E-Tech 100% eléctrico a Scenic E-Tech 100% eléctrico, con una mejora de densidad energética del 6 % gracias a la tecnología NMC (níquel, manganeso, cobalto) de LG.
En el negocio de las baterías, seis puntos porcentuales de mejora es un hito notable, más aún si estos escalones se suceden cada pocos años. En el caso del nuevo Renault Scenic con tecnología completamente eléctrica se tienen dos modalidades de batería: 60 kWh para una autonomía de 420 km o la impresionante batería de 87 kWh para una autonomía de 620 km.
Este salto en la mejora de la densidad energética está rompiendo todos los retos sobre autonomía y viajes largos, una barrera que a menudo condicionaba la compra de un vehículo cero emisiones, y es que el viaje medio de los españoles por carretera (el dato es de 2017 y se refiere a las vacaciones) es de unos 407 kilómetros.
Con densidades energéticas que permiten baterías con más de 600 kilómetros de autonomía, ahora la mirada debería centrarse en el despliegue masivo de una red de puntos de recarga a nivel nacional (no necesariamente de carga rápida) que permita cargar el vehículo en cualquier lugar.