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Jul 02, 2023

Las presentaciones de patentes brindan pistas sobre el futuro de las baterías EV

Estamos en las etapas preliminares de una transición histórica desde el interior

Estamos en las etapas preliminares de una transición histórica de vehículos con motor de combustión interna (ICE) a vehículos eléctricos de batería (BEV). La transición será costosa y difícil en muchos sentidos. La innovación debería facilitar esta transición. Las solicitudes de patentes presentadas recientemente pueden proporcionar pistas sobre la dirección de la innovación BEV.

COMENTARIO

La mayoría de las solicitudes de patentes de EE. UU. son publicadas por la Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU. (USPTO) poco después de su presentación. Este artículo se centra únicamente en las solicitudes de patentes de la USPTO, que también reflejan la innovación de BEV, así como las patentes presentadas en otras oficinas de patentes de todo el mundo.

Una patente de los EE. UU. otorga a su propietario el derecho de impedir que otros fabriquen, usen, vendan o importen productos en los EE. UU. que están cubiertos por la patente. Se puede hacer valer una patente contra un producto de la competencia independientemente de si el producto se creó sin conocimiento de la patente. Una patente puede ser extremadamente valiosa y su propietario puede explotarla mediante litigios, licencias a terceros u otros medios.

Los BEV funcionan completamente con electricidad. Un tren de potencia BEV normalmente incluye un inversor de tracción conectado eléctricamente entre una batería recargable y un motor eléctrico. La batería proporciona alimentación de CC. El motor eléctrico necesita alimentación de CA para funcionar. El inversor de tracción convierte la corriente continua de la batería en corriente alterna para el motor eléctrico. El inversor de tracción también controla la velocidad y el par del motor eléctrico.

Las baterías son el componente más importante y costoso del tren de potencia BEV. Las baterías se caracterizan por muchos factores, incluidos el costo, el tiempo de recarga, la densidad de energía, la densidad de potencia, la seguridad y la vida útil. Las baterías más pequeñas y livianas reducen el costo y el peso de los BEV. Sin embargo, las baterías más pequeñas carecen de la capacidad necesaria para calmar la ansiedad del conductor.

Actualmente, las baterías de iones de litio son las preferidas para los BEV. En 2022, numerosos comunicados de prensa anunciaron planes para crear nuevas fábricas en los EE. UU. para fabricar baterías de iones de litio. Dichos anuncios aumentaron poco después de la aprobación de la Ley de Reducción de la Inflación de EE. UU., que pone énfasis en las baterías BEV de origen nacional.

Las baterías de iones de litio constan de un electrolito, un ánodo y un cátodo. El electrolito es donde se intercambian iones entre el ánodo y el cátodo mientras la batería se carga o descarga. Se pueden usar varios materiales diferentes para el electrolito y los electrodos (es decir, ánodo y cátodo), cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Éstas incluyen:

La base de datos de la USPTO indica que se han presentado un total de 4.301 solicitudes de patentes estadounidenses relacionadas con baterías de iones de litio. Varias de estas solicitudes de patentes pueden estar dirigidas a aspectos periféricos de las baterías de iones de litio, incluidos los métodos de reciclaje, monitoreo, etc. Sin embargo, la mayoría de las 4301 patentes están dirigidas a la composición, estructura y métodos de fabricación de baterías de iones de litio.

Casi el 40% de las 4301 solicitudes de patentes se presentaron durante los últimos cinco años, lo que sugiere que la innovación en la tecnología de baterías de iones de litio continúa a un ritmo acelerado. Esto también sugiere que las baterías de iones de litio desempeñarán un papel importante en los BEV en el futuro previsible. El siguiente gráfico muestra un desglose geográfico por país solicitante de las solicitudes de patentes relacionadas con baterías de iones de litio que se presentaron en los EE. UU. durante los últimos cinco años. Parece que Japón ha asumido un papel de liderazgo en el desarrollo de baterías de iones de litio desde 2017.

A pesar de la importancia de la tecnología de baterías de iones de litio, la USPTO está viendo un aumento en la tasa de presentación de solicitudes de patentes estadounidenses dirigidas a tecnologías de baterías alternativas, como las baterías de estado sólido. A diferencia de las baterías de iones de litio, las baterías de estado sólido utilizan electrolitos de estado sólido para transferir iones de litio entre el ánodo y el cátodo. Los electrolitos de estado sólido proporcionan a las baterías densidades de energía más altas, una vida útil más larga y una mayor seguridad. Sin embargo, existen algunas preocupaciones sobre el precio y la complejidad de fabricar baterías de estado sólido a escala.

La base de datos de la USPTO indica que se presentaron un total de 1302 solicitudes de patentes estadounidenses relacionadas con baterías de estado sólido, con casi el 74% de las presentadas durante los últimos cinco años. El siguiente gráfico muestra un desglose por país solicitante de las solicitudes de patentes de baterías de estado sólido durante los últimos cinco años. Una vez más, Japón lidera la carga en el desarrollo de baterías de estado sólido.

El inversor de tracción es otro componente importante y costoso del tren de transmisión BEV. Los inversores de tracción, como se indicó anteriormente, convierten la energía de CC en energía de CA para el funcionamiento de un motor eléctrico. Un inversor de tracción generalmente incluye tres fases o ramas, cada una de las cuales incluye un interruptor de lado alto conectado a un interruptor de lado bajo, cuya combinación está conectada en serie entre los terminales positivo y negativo de una batería. Los interruptores conducen corriente cuando están encendidos. Los interruptores reciben señales de activación de un microprocesador o dispositivo similar. A través de la activación coordinada de los interruptores del lado alto y bajo, la corriente fluye en los devanados del estator en cada fase para crear un campo magnético giratorio que interactúa con un rotor. El rotor, a su vez, crea un par en un eje de transmisión.

Los interruptores afectan en gran medida el costo, el tamaño, el peso, la densidad de potencia y la eficiencia de un inversor de tracción. Los transistores bipolares de puerta aislada de silicio (IGBT) son actualmente el interruptor preferido empleado en los inversores de tracción. Los IGBT de silicio son baratos y abundantes, lo que los convierte en la alternativa preferida para su uso en inversores de tracción. Para velocidades de conmutación bajas, los IGBT de silicio también ofrecen una buena eficiencia. Sin embargo, los inversores de tracción ahora se están diseñando para operar a velocidades de conmutación más altas, donde los IGBT de silicio son menos eficientes. Esto, a su vez, reduce la eficiencia general de los inversores de tracción en los que se emplean IGBT de silicio. También puede ser necesario un sistema de administración térmica más grande para enfriar los IGBT de silicio que funcionan a velocidades de conmutación más altas, lo que a su vez aumenta el costo, el peso y el tamaño del inversor de tracción.

La base de datos de la USPTO indica un total de 586 solicitudes de patentes estadounidenses relacionadas con IGBT, de las cuales el 31% se presentaron durante los últimos cinco años. El siguiente gráfico muestra un desglose por país solicitante de las solicitudes de patentes IGBT presentadas más recientemente. China y EE. UU. parecen ser los principales innovadores en los últimos cinco años.

Hasta la fecha, los transistores de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET) de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) han surgido como las tecnologías alternativas preferidas a los IGBT de silicio. Estos dispositivos semiconductores pueden operar a velocidades de conmutación más altas (incluso a voltajes altos) con pérdidas de conmutación más bajas, lo que significa menos generación de calor, lo que reduce los requisitos, el tamaño y el costo de los sistemas de gestión térmica.

La base de datos de la USPTO indica que se han presentado un total de 1412 solicitudes de patentes estadounidenses relacionadas con transistores de SiC. Casi el 35% de estas solicitudes de patentes se presentaron durante los últimos cinco años. Mientras que EE. UU. y China están a la cabeza con la innovación relacionada con los IGBT, las empresas japonesas parecen estar poniendo un mayor énfasis en los transistores de SiC, habiendo presentado el 59% de las solicitudes de patentes relacionadas en los últimos cinco años.

Las empresas estadounidenses, por otro lado, parecen haber centrado más sus esfuerzos en la tecnología de transistores GaN. La base de datos de la USPTO indica que se han presentado un total de 1043 solicitudes de patentes estadounidenses relacionadas con transistores de GaN, pero solo el 17 % de ellas se presentaron en los últimos cinco años. Esto sugiere que los transistores SiC pueden preferirse a los transistores GaN para usarse como alternativas a los IGBT en inversores de tracción. Como muestra el cuadro a continuación, los solicitantes de EE. UU. pueden pensar de otra manera, ya que los solicitantes estadounidenses han presentado más de la mitad de las solicitudes de patentes de EE. UU. dirigidas a transistores de GaN en los últimos cinco años.

En resumen, recientemente se ha presentado una cantidad sustancial de solicitudes de patentes en los EE. UU. que están dirigidas a la innovación del tren de potencia BEV. Si bien las baterías de iones de litio parecen ser la batería elegida para los BEV a corto plazo, el número relativamente alto de solicitudes de patente presentadas recientemente sugiere que las baterías de estado sólido pueden ser una alternativa viable. Los IGBT de silicio son actualmente el transistor de potencia elegido para su uso en inversores de tracción. Sin embargo, el número relativamente alto de solicitudes de patente presentadas recientemente sugiere fuertemente que los MOSFET de SiC y GaN ganan terreno a los IGBT.

—sam campbell,cristobal kent, yeric stephensonson miembros del equipo de energía de Womble Bond Dickinson.

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