Mayor capacidad, mayor potencia, menor tamaño, menor peso, fabricación en masa más sencilla y el uso de componentes más baratos son desafíos en el diseño de baterías para vehículos eléctricos. En otras palabras, todo se reduce a costo y rendimiento. Piense en ello como un acto de equilibrio, donde el kilovatio-hora (kWh) logrado debe proporcionar el máximo alcance, pero a un costo de fabricación razonable. Como resultado, a menudo verá descripciones de paquetes de baterías que enumeran sus costos de fabricación, junto con números, que van desde $240 a $280/kWh. durante la producción, por ejemplo.
Ah, y no olvidemos la seguridad. Recuerde el fiasco del Samsung Galaxy Note 7 hace unos años, y el equivalente de las baterías de vehículos eléctricos a los incendios de vehículos y las fusiones equivalentes a Chernobyl. En un escenario de desastre de reacción en cadena descontrolada, los controles térmicos y de espaciado entre las celdas de una batería paquete para evitar que una celda encienda otra, otra, etc., aumentan la complejidad del desarrollo de baterías para vehículos eléctricos. Entre ellos, incluso Tesla tiene problemas.
Si bien un paquete de baterías para vehículos eléctricos consta de tres partes principales: celdas de batería, un sistema de administración de baterías y algún tipo de caja o contenedor que las mantiene juntas, por ahora solo veremos las baterías y cómo han evolucionado con Tesla. Pero sigue siendo un problema para Toyota.
La batería cilíndrica 18650 es una batería de iones de litio con un diámetro de 18 mm, una longitud de 65 mm y un peso de aproximadamente 47 gramos. A un voltaje nominal de 3,7 voltios, cada batería puede cargar hasta 4,2 voltios y descargarse a una velocidad mínima. como 2,5 voltios, almacenando hasta 3500 mAh por celda.
Al igual que los condensadores electrolíticos, las baterías de los vehículos eléctricos de Tesla constan de largas láminas de ánodo y cátodo, separadas por material aislante de carga, enrolladas y empaquetadas herméticamente en cilindros para ahorrar espacio y almacenar la mayor cantidad de energía posible. Estos cátodos (cargados negativamente) y Cada una de las hojas de ánodo (cargada positivamente) tiene pestañas para conectar cargas similares entre las celdas, lo que da como resultado una batería potente; suman uno, por así decirlo.
Al igual que un condensador, aumenta su capacitancia reduciendo el espacio entre las láminas del ánodo y el cátodo, cambiando el dieléctrico (el material aislante anterior entre las láminas) por uno con mayor permitividad y aumentando el área del ánodo y el cátodo. El siguiente paso en la batería (de potencia) para vehículos eléctricos Tesla es la 2170, que tiene un cilindro ligeramente más grande que la 18650, mide 21 mm x 70 mm y pesa alrededor de 68 gramos. Con un voltaje nominal de 3,7 voltios, cada batería puede cargar hasta 4,2 voltios y descarga tan baja como 2,5 voltios, almacenando hasta 4800 mAh por celda.
Sin embargo, existe una compensación que tiene que ver principalmente con la resistencia y el calor versus la necesidad de un recipiente un poco más grande. En el caso del 2170, el aumento en el tamaño de la placa de ánodo/cátodo resulta en una ruta de carga más larga, lo que significa más resistencia, por lo tanto más La energía se escapa de la batería en forma de calor e interfiere con el requisito de carga rápida.
Para crear una batería de próxima generación con más potencia (pero sin mayor resistencia), los ingenieros de Tesla diseñaron una batería significativamente más grande con un diseño llamado “tablas” que acorta el camino eléctrico y así reduce la cantidad de calor generado por la resistencia. Gran parte de esto se puede atribuir a quienes pueden ser los mejores investigadores de baterías del mundo.
La batería 4680 está diseñada en forma de hélice en mosaico para una fabricación más sencilla, con un tamaño de paquete de 46 mm de diámetro y 80 mm de longitud. El peso no está disponible, pero se informa que otras características de voltaje son similares o idénticas;sin embargo, cada celda tiene una potencia de alrededor de 9000 mAh, que es lo que hace que las nuevas baterías de panel plano de Tesla sean tan buenas. Además, su velocidad de carga sigue siendo buena para una demanda rápida.
Si bien aumentar el tamaño de cada celda en lugar de reducirlo puede parecer ir en contra de los requisitos de diseño de la batería, las mejoras en la capacidad de energía y el control térmico del 4680 en comparación con el 18650 y el 2170 dieron como resultado sustancialmente menos celdas en comparación con el uso de las baterías 18650 y 2170. Los modelos anteriores de Tesla con motor tienen más potencia por paquete de batería del mismo tamaño.
Desde un punto de vista numérico, esto significa que solo se necesitan alrededor de 960 celdas “4680” para llenar el mismo espacio que 4.416 celdas “2170”, pero con beneficios adicionales como menores costos de producción por kWh y el uso de 4680 baterías aumentan significativamente la potencia.
Como se mencionó, se espera que el 4680 ofrezca 5 veces más almacenamiento de energía y 6 veces más potencia en comparación con la batería 2170, lo que se traduce en un aumento de conducción esperado de 82 kWh a 95 kWh en los Teslas más nuevos. El kilometraje aumenta hasta en un 16%.
Recuerde, estos son solo los conceptos básicos de las baterías Tesla, hay más detrás de la tecnología. Pero este es un buen comienzo para un artículo futuro, ya que aprenderemos cómo administrar el uso de energía de la batería, así como también a controlar los problemas de seguridad que rodean. generación de calor, pérdida de energía y… por supuesto… el riesgo de incendio de las baterías de los vehículos eléctricos.
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Timothy Boyer es reportero de Tesla y vehículos eléctricos para Torque News en Cincinnati. Con experiencia en la restauración temprana de automóviles, restaura regularmente vehículos más antiguos y modifica motores para mejorar el rendimiento. Siga a Tim en Twitter @TimBoyerWrites para conocer las noticias diarias sobre Tesla y vehículos eléctricos.
Hora de publicación: 21 de febrero de 2022