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Celdas cilíndricas de 46 mm, el nuevo estándar en el diseño de baterías de litio

Desde que hace dos años y medio Elon Musk anunciara en los Tesla Battery Days el futuro uso de un nuevo formato de celda de batería del tipo 4680, ha surgido un auténtico boom en torno a la nueva celda cilíndrica. Aunque la célula, con un diámetro de 46 mm y una longitud de 80 mm, sólo se ha utilizado hasta ahora en algunos vehículos Tesla Model Y, las muestras de interés y los anuncios de uso son cada vez mayores, especialmente en el sector de la automoción. Además de Tesla como primer impulsor, fabricantes de equipos originales como BMW, Nio y GM ya han anunciado su intención de utilizar el sistema en el futuro. Al mismo tiempo, también se está ampliando en el campo de los fabricantes de células, que están creando capacidades de producción o, al menos, pretenden crear competencias de fabricación.

LGES quiere ampliar este año su línea de muestras en la surcoreana Ochang, Panasonic hará lo mismo en su línea de producción a gran escala en la japonesa Wakayama. Los fabricantes Samsung SDI y BAK también están trabajando en la producción piloto, y como proveedores cualificados de BMW, CATL y EVE Energy ya han sido contratados para construir gigafábricas.

En la industria del automóvil, la célula promete mucho: Alta densidad de potencia y capacidad de carga rápida, integración más eficiente en el paquete de baterías o en el chasis del vehículo, y ventajas de coste gracias a los procesos de fabricación de celdas más sencillos típicos de las celdas cilíndricas. Aunque el tipo de celda puede describirse como «grande» en comparación con otros formatos de celda cilíndrica como 18650 y 21700, sigue siendo significativamente menor en dimensiones y capacidad de celda en comparación con los formatos de celda prismática de última generación. Una célula de 46 mm y 80 mm de altura, por ejemplo, tiene un volumen interno de unos 120 ml. Una célula del tipo «blade» del fabricante BYD tiene un volumen de algo menos de 1,2 litros.

Por tanto, para los fabricantes de equipos originales, el uso de las nuevas células cilíndricas podría suponer un esfuerzo de integración comparativamente elevado. Al mismo tiempo, existe cierta flexibilidad en el diseño mecánico y eléctrico del pack: Nio y BMW, por ejemplo, han anunciado su intención de utilizar una arquitectura de 800 V en el futuro. Es poco probable que se puedan alcanzar tensiones de sistema tan elevadas en conexión en serie debido al escaso número de células individuales con células de formato especialmente grande. Con las nuevas células cilíndricas 4680, la alta tensión del sistema es alcanzable en paquetes típicos incluso con la conexión en paralelo de 3 a 5 células.

Producción de las células cilíndricas 46xx

Desde el punto de vista de la producción, las principales ventajas de los nuevos formatos de celda residen claramente en su estructura interna: los electrodos están enrollados y no tienen que apilarse en un proceso complejo. Al mismo tiempo, las celdas tienen un tamaño que reduce significativamente el número de pasos individuales necesarios para producir una batería acabada.

En detalle, puede haber más cambios en comparación con los anteriores diseños de celdas cilíndricas: Por ejemplo, el diseño sin lengüetas reduce el número de interrupciones necesarias en el recubrimiento de los electrodos, que de otro modo habrían sido necesarias para los puntos de contacto con las etiquetas colectoras de corriente. También se elimina la soldadura de estas etiquetas. El corte y el bobinado de los electrodos, por el contrario, podrían aumentar la complejidad de los procesos, ya que los bordes de las láminas del colector de corriente tienen que cortarse relativamente apretados y doblarse durante el bobinado.

Si se comparan las distintas versiones de células de la 4640 a la 46120, cabe suponer que el esfuerzo global de fabricación es bastante similar. Incluso la producción de las células más largas, con una altura de 120 mm, no suponga una reducción significativa de la duración del ciclo de montaje en comparación con los formatos más cortos. Sólo es probable que el proceso de humectación del electrolito aumente significativamente con la longitud de la célula.

La conclusión es que la mayor energía por célula (en comparación entre 4680 y 46120), podría suponer un ahorro de costes de hasta el 20% en el montaje. Sin embargo, a nivel de los costes totales de las células, este ahorro se relativiza, ya que la parte de los costes de montaje en los costes totales sea sólo del 5 al 7% debido a los elevados precios actuales de los materiales.

Potencial de la nueva generación de células cilíndricas

Las prometedoras características de rendimiento, pero también los numerosos anuncios de fabricantes y OEM, sugieren que habrá mucha actividad en torno al nuevo formato de célula de 46 mm en los próximos años. Sin embargo, pasarán varios años antes de que se generalice su uso en vehículos eléctricos. La creación de nuevas líneas de producción a gran escala puede llevar uno o dos años. También cabe suponer que innovaciones tecnológicas como el diseño sin lengüetas o el uso de electrodos especialmente gruesos plantearán uno o dos retos para el aumento de la producción.

Es probable que la producción del fabricante Tesla se reconvierta ya en mayor medida a la nueva célula en el año en curso. No se espera que BMW introduzca la nueva célula con su nueva generación de vehículos hasta 2025. Sin embargo, otras aplicaciones además de la electromovilidad, como el almacenamiento estacionario de energía, también podrían beneficiarse de las nuevas células a largo plazo. Pero, como suele ocurrir, primero tendrán que ponerse a la cola de los principales clientes del sector automovilístico.

BMW utilizará celdas de batería redondas, se confirman 6 Gigafábricas

BMW Group ha hecho público un importante anuncio sobre las baterías de iones de litio de su próxima generación de coches eléctricos Neue Klasse, prevista para 2025.

El fabricante alemán ha confirmado oficialmente el cambio de celdas prismáticas a celdas cilíndricas de baterías de iones de litio (como se informó en mayo de 2022), optimizadas para la arquitectura Neue Klasse.

Según la empresa, el paso a un nuevo formato de celda, combinado con una química mejorada y un nuevo enfoque del paquete de baterías, se traducirá en un rendimiento significativamente mejor, menores costes y un menor impacto medioambiental en las plantas de producción.

Las ganancias citadas por BMW son bastante grandes, incluyendo hasta un 50% de reducción de costes a nivel de pack. La empresa ha perfeccionado fundamentalmente el formato de las celdas, la química de las celdas y el pack, lo que, en comparación con las baterías prismáticas de 5ª generación, se traducirá en:

  • más de un 20% más de densidad de energía volumétrica
    (no hay información sobre la densidad de energía gravimétrica)
  • hasta un 30% más de autonomía (WLTP)
    es decir, potencialmente más de 800 km de autonomía
  • hasta un 30% más de velocidad de carga (del 10% al 80% de SOC)
  • hasta un 50% menos de coste del pack
  • hasta un 60% menos de emisiones de CO2 en la producción de células
    (mediante energía verde y material secundario)

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