Sabemos que el primer avión eléctrico voló hace más de cincuenta años, y desde entonces cada vez que han vuelto han tenido el mismo problema: si bien los motores son fiables y ligeros, las baterías pesan demasiado y tienen una densidad energética baja.
Con el boom de los vehículos eléctircos terrestres (EV), parece que se ha revivido la fiebre de la aviación eléctrica, y se está intentando utilizar las mismas baterías de litio.
E igual que un motor de automoción puede no ser idóneo para un avión, porque el vehículo de tierra funciona normalmente al 30-40% de su potencia máxima, que sólo necesita en picos mientras que el motor de avión funciona al 75-85% de manera constante, puede que la solución de las baterías eléctricas de los EV no sean la mejor.
Aunque el rendimiento de las baterías de iones de litio en los EVs está bien estudiado, su rendimiento en la industria de la aviación es relativamente desconocido, y aún no está claro cómo estas baterías resistirán las duras condiciones a las que estarán sometidas durante las operaciones de taxi aéreo eVTOL.
Por ello, investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) en Tennessee llevaron a cabo un estudio sobre los efectos que el perfil de vuelo de una aeronave eVTOL tendrá en las baterías de EV después de ciclos repetidos, simulando operaciones típicas de taxi aéreo.
El equipo de investigación encontró que las demandas de potencia y rendimiento para el vuelo eVTOL reducen el rendimiento y la longevidad de la batería, lo que podría representar una amenaza para la seguridad. También podría aumentar el costo del mantenimiento de las aeronaves, ya que las baterías necesitarán ser reemplazadas con frecuencia. Una vez más, la demanda de potencia del motor, debido al perfil de utilización distinto en un tipo de vehículo y otro, puede suponer un problema.
Cuando los eVTOL despeguen verticalmente, las baterías están sujetas a una demanda de energía muy alta, y según el investigador Ilias Belharouk será el momento en el que la batería puede ser más peligrosa.
Belharouak y su equipo tienen como objetivo mitigar este problema avanzando en la tecnología de baterías de iones de litio y optimizando las celdas de batería para los vuelos eVTOL. Pero para encontrar las mejores soluciones, primero necesitaban definir a fondo el problema. Con este estudio, el equipo buscó determinar exactamente qué sucede con las baterías a nivel subcelular cuando se someten a las altas demandas de potencia de los vuelos eVTOL con ciclos repetidos. Los hallazgos ayudarán a informar su búsqueda de nuevos materiales, especialmente para los electrolitos de la celda, lo que podría llevar a un mejor rendimiento y resistencia.
Altas Demandas de Potencia
Como hemos comentado anteriormente, nada tienen que ver el perfil de uso de las baterías de litio en los eVTOL con el perfil de uso en los automóviles.
Las baterías eléctricas para taxis aéreos también soportarán cargas y descargas más frecuentes y rápidas que los vehículos terrestres. El perfil de uso del coche hace que la mayor parte de su vida operativa esté estacionado. Sin embargo, el perfil de uso de una aeronave comercial es el contrario: si la aeronave está parada está perdiendo dinero. De hecho, en los estudios de viabilidad de los eVTOL suelen citarse tasas de utilización mucho más altas que las de los helicópteros, debido a su supuesto menor mantenimiento. De sobra es conocido que los aviones de aerolínea paran lo mismo. Así que mientras que el perfil de uso de un automóvil es de viajes de entre 10 y 50 minutos con largos periodos de inactividad, se espera que el perfil del eVTOL sea de vuelos durante todo el día, con ciclos de vuelo de 10 minutos intercalados con recargas rápidas, normalmente de otros diez minutos. «Realmente necesitas cargarlos muy rápido y descargarlos muy rápido… lo que ejerce mucha presión sobre estas baterías», dijo Belharouak.
Belharouak y su equipo en ORNL realizaron pruebas simuladas de baterías eVTOL utilizando baterías representativas que construyeron en el lugar en la Instalación de Fabricación de Baterías del Departamento de Energía. Monitorizaron el rendimiento de la batería durante el ciclo y luego evaluaron los componentes de la batería posteriormente para verificar la corrosión y otros cambios químicos o estructurales utilizando un microscopio electrónico de barrido.
«Tu batería no es solo la vida útil de 1,000 ciclos. Es lo que sucede dentro de un ciclo lo que te dice si tu sistema funcionará o fallará», dijo Marm Dixit, el investigador principal del estudio. Y los riesgos son mayores, ¡no son vehículos que puedas parar en un arcen en caso de problemas, estan volando!
Para la simulación, los investigadores emplearon una alta tasa de descarga durante 45 segundos, lo que se espera que dure el despegue vertical más la transición a crucero, seguido de una descarga a baja velocidad para simular el vuelo de crucero.
Durante el ciclo de crucero, la batería recuperaba su condición normal. Pero la sucesiva repetición de este tipo de ciclos rápidos e intensos hacía que las baterías, electrolito y ánodo se degradaran, no así el cátodo.
La solución ¿está en el electrolito?
Así que estamos con el problema de siempre, pero ampliado. No sólo necesitamos una batería de mayor densidad energética, sino que además deben aguantar estos ciclos tan distintos a los de los automóviles.
Y mientras se dependa de las baterías de litio, hay que mejorarlas. Los investigadores están constantemente buscando maneras de hacer que las baterías funcionen mejor y duren más utilizando diferentes materiales para sus componentes, incluyendo ánodos, cátodos y electrolitos. Por ejemplo, el fabricante de baterías Amprius está utilizando ánodos de nanocables de silicio en las baterías que ofrece para aplicaciones de aviación eléctrica.
Belharouak y su equipo creen que la solución para hacer que las baterías de iones de litio sean más adecuadas para las operaciones de eVTOL radica en el electrolito, el medio entre el cátodo y el ánodo de una batería por el que los iones de litio viajan durante la carga y descarga.
Si bien el equipo de ORNL se está enfocando en soluciones de electrolito por ahora, el objetivo final del programa de investigación es eventualmente desarrollar una química de batería completamente nueva que podría reemplazar a las baterías de iones de litio para aeronaves eléctricas.
Ejemplos de nuevas químicas de baterías que podrían ser prometedoras para aplicaciones de aviación incluyen las baterías de estado sólido, que reemplazan el electrolito líquido o en gel con un material sólido, o las baterías de litio-azufre, ambas de las cuales pueden ofrecer las mayores densidades de energía necesarias para habilitar vuelos de mayor alcance.
Belharouak enfatizó que cualquier tipo de baterías destinadas a aplicaciones de eVTOL «deberán ser entendidas y comprendidas en función del conjunto de protocolos a los que van a ser sometidas, no solo en función de la densidad de energía y potencia».
Fuentes: AIN Online y Oak Ridge National Laboratory
