Para los vehículos eléctricos puros, la autonomía debe ser uno de los indicadores más importantes para la mayoría de los consumidores. Las formas actuales de mejorar la autonomía casi siempre comienzan con los materiales y la capacidad de las baterias, etc. El año pasado, Tesla presentó por primera vez la bateria 4680, y los informes recientes sugieren que el rendimiento de la bateria 4680 ha mejorado significativamente y es probable que esté en producción en masa en los próximos dos años. ¿Qué es exactamente la bateria 4680?
Baterias de litio ampliamente utilizadas en la industria
Según los fabricantes de material litio, las baterias utilizadas hoy en día en los vehículos eléctricos puros pueden dividirse desde dos perspectivas. Según el material del cátodo de la pila, se puede dividir en cobalato de litio, manganato de litio, litio ternario y fosfato de hierro de litio, etc.; según la estructura de la pila, se puede dividir en cilíndrica, cuadrada y soft pack, etc. A menudo oímos hablar de las baterias 18650 y 21700, que en realidad son baterias cilíndricas.
La pila 18650 de 3,7V tiene generalmente una vida útil de unos 500-1000 ciclos y la batería 18650 de 3,2V tiene una vida útil de más de 2000 ciclos. Este tipo de bateria tiene una amplia gama de aplicaciones y muchos segmentos de capacidad, que generalmente van de 1000mAh a 3500mAh. Sin embargo, la capacidad más común sigue siendo la de 2800mAh, y sólo unas pocas superan los 3000mAh. Esta bateria se utiliza en el Tesla Model S, así como en nuestro uso cotidiano de ordenadores portátiles, dispositivos médicos industriales y equipos de iluminación portátiles.
Entonces, ¿cuál es la diferencia entre la bateria 4680 y las dos baterias ampliamente utilizadas en la industria? De hecho, desde la 18650 hasta la 21700, las empresas de baterias han intentado aumentar la capacidad de sus baterias lo máximo posible manteniendo la forma cilíndrica, la forma más directa de hacerlo es ampliando el tamaño. Así que, a medida que la demanda sigue aumentando, el 21700 también ha empezado a convertirse en la opción habitual. Y surgió la bateria 4680, más grande y de mayor densidad energética.
La primera característica técnica de la bateria 4680: la tecnología sin orejetas
La parte que sobresale por encima del terminal positivo de las pilas AA que utilizamos en la vida cotidiana es la orejeta, la zona donde es más probable que la pila se sobrecaliente durante el proceso de carga y descarga. La incapacidad de controlar el calor es la razón fundamental por la que los fabricantes de baterias no las hacen más grandes. Cuanto más grande sea la pila, más potente será en caso de combustión o explosión. Con el rápido desarrollo de la industria de las nuevas energías, los accidentes de combustión o explosión espontánea en vehículos eléctricos que utilizan baterias de litio son cada vez más frecuentes, y si una bateria de mayor tamaño explota, el accidente será aún más grave.
¿Qué aspecto tiene una bateria 4680 con un diseño sin orejetas cuando funciona? El flujo de electrones es como un grupo de personas que cruzan un puente, y el puente equivale a las orejetas de los postes. Cuando todos cruzan por un puente, éste se ve sometido a una gran carga, que puede entenderse como el calor generado por la resistencia; mientras que el diseño sin orejetas equivale casi a permitir que las personas caminen normalmente por el suelo.
En términos sencillos, esto significa que en lugar de una transmisión punto a punto, se produce una transmisión cara a cara, lo que da lugar a una mayor área de conducción y a una transmisión más eficiente. Este diseño evita eficazmente la generación de sobrepotencial en los terminales de los polos y reduce naturalmente la acumulación de calor. De hecho, las propias orejetas también son resistivas, y eliminarlos equivale a resolver parte de la fuente de generación de calor.
La segunda característica técnica de la bateria 4680: la tecnología de electrodos secos
En la actualidad, la producción de baterias convencionales implica añadir polvo de material a una solución con un aglutinante, secarlo, prensarlo en forma de material de electrodos y montarlo para su uso, y el disolvente es tóxico y difícil de reciclar. Por ello, Tesla ha diseñado la bateria 4680 para resolver este problema utilizando la tecnología de electrodos secos.
La tecnología de electrodos secos permite añadir más material cuando el electrodo positivo alcanza los mismos requisitos de uso en comparación con la tecnología convencional, ya que el polvo es más denso que el líquido y, por lo tanto, el grosor del material del electrodo aumenta de 55 a 60 micras, lo que incrementa la actividad del electrodo y aumenta la densidad energética en torno a un 5%, aumentando aún más la vida útil de la pila.
Por supuesto, la bateria 4680 también es más barata de fabricar gracias al ahorro de disolventes. Tesla adquirió Maxwell, la empresa líder mundial en tecnología de baterias, ya en 2019 y utilizó la tecnología de electrodos secos que desarrolló en la fabricación de la nueva generación de la bateria 4680.
La tercera característica técnica de la bateria 4680: el diseño sin módulos
Sabemos que los paquetes de baterias que se utilizan actualmente en los vehículos eléctricos puros están formados por varios módulos, y dentro de cada módulo hay módulos de baterias en serie formados por una combinación de celdas individuales.
El módulo pequeño tiene una superficie de aproximadamente 0,6 metros cuadrados y la célula única tiene una superficie de aproximadamente 0,366 metros cuadrados, representando la célula única aproximadamente el 61% de la superficie del módulo. El módulo grande tiene una superficie de aproximadamente 0,629 metros cuadrados y la célula única tiene una superficie de aproximadamente 0,398 metros cuadrados, ocupando la célula única aproximadamente el 63% de la superficie del módulo.
Si el espacio entre los módulos se calcula en un 10% de la superficie, la superficie total ocupada por los 4 módulos de la pila es de unos 2,7 metros cuadrados, la célula única representa aproximadamente el 56,6% de la relación de superficie total del módulo y la densidad energética del paquete de baterias es de 170Wh/kg.
El peso total de todo el sistema de baterias es de aproximadamente 474 kg, siendo la pila de aproximadamente 312 kg, el módulo pequeño de aproximadamente 86 kg, el módulo grande de aproximadamente 93,5 kg, la carcasa superior, el gestor de baterias y otros accesorios de aproximadamente 53 kg en total, y la carcasa inferior, los componentes estructurales, los conductos de refrigeración y los cables de aproximadamente 62 kg.
El paquete de baterias 4680 prescinde del diseño de módulos e integra las celdas individuales y el chasis, con el motor de accionamiento, el sistema de control electrónico, el inversor y el cargador de a bordo también integrados, y la energía se distribuye mediante un gestor de baterias reoptimizado. Esta tecnología integrada se conoce como CTC (Cell to Chassis).
El peso total de todo el sistema de baterias es de aproximadamente 438 kg, ya que el sistema de refrigeración y la pila pesan un total de 348 kg y el gestor de baterias, la carcasa superior e inferior y los cables se han optimizado para que pesen un total de aproximadamente 90 kg.
Además de los avances tecnológicos mencionados, la tecnología CTC tiene en realidad ciertos inconvenientes, a saber, que en caso de accidente o daño del paquete de baterias, aumentará mucho el coste de desmontaje y reparación, principalmente debido al alto nivel de integración del paquete de baterias sin la opción de sustituir los módulos defectuosos. Los fabricantes de vehículos también tendrán que modificar la arquitectura del chasis para adaptarla a la tecnología CTC, lo que aumentará aún más los costes de desarrollo del vehículo, lo que acabará afectando al precio del mismo.
La cuarta característica técnica de la bateria 4680: mayor consistencia
El voltaje de corte de carga de una marca de bateria de litio de una sola célula es de 3,7V y el voltaje de corte de descarga es de 2,6V, hay 100 células individuales en el paquete de baterias, cuando el paquete de baterias está trabajando, es necesario asegurarse de que el voltaje de cada célula es consistente en la medida de lo posible, si una célula alcanza el voltaje de corte de carga o el voltaje de corte de descarga primero, entonces todo el paquete de baterias mostrará un estado completamente cargado o muerto, por lo que se puede decir que cuanto mejor sea la consistencia de las células individuales, más fuerte será el rendimiento del paquete de baterias. Cuanto mejor sea la consistencia, mejor será el rendimiento de la pila.
Por supuesto, lo anterior no es infrecuente y generalmente el BMS ajustará la consistencia de las celdas individuales en cada carga. Así que con más de 4000 celdas en un paquete de baterias 21700 en comparación con 960 celdas en un paquete de bateria 4680, naturalmente este último es más consistente y mejor ajustado.
Conclusión
En cuanto a si la bateria 4680 se convertirá en la tendencia y la dirección futuras de la industria de las baterias, algunos creen que todavía se necesitará algún tiempo para que las baterias 4680 se produzcan en masa y que la tecnología de las baterias todavía se está desarrollando en una dirección diversificada; otros creen que para los modelos que requieren una carga rápida y las empresas con una fuerte capacidad de diseño de sistemas, las baterias 4680 tienen una mayor demanda y tienen ventajas evidentes en términos de coste y seguridad.
El año que viene, Tesla tiene previsto producir en masa la bateria 4680 en su fábrica de Berlín (Alemania), con la esperanza de volver a liderar el cambio en la industria con la nueva tecnología de baterias. La tecnología de las baterias aún está lejos de ser el final del juego y la futura diversificación seguirá cambiando las expectativas del mercado. En la nueva industria energética, sólo la exploración continua conducirá a avances en los procesos, los costes y las tasas de rendimiento.
