Conceptos básicos de comparación de celdas de batería Tesla 18650, 2170 y 4680

Mayor capacidad, más potencia, menor tamaño, menor peso, más fácil de fabricar a gran escala y con componentes menos costosos son los desafíos de diseñar una batería EV. En otras palabras, todo se reduce al costo y al rendimiento. Piense en ello como un acto de equilibrio en el que los kilovatios hora (kWh) logrados deben proporcionar el mayor rango, pero a un costo de fabricación razonable. Por lo tanto, a menudo verá una descripción del paquete de baterías que enumera su costo de fabricación con números como un rango de $ 240- $ 280 / kWh, por ejemplo, durante la producción.

Ah, y no olvidemos la seguridad. Recuerde el fiasco del Samsung Galaxy Note 7 hace unos años y los equivalentes de baterías EV de incendios de vehículos y fusiones equivalentes de Chernobyl. El espacio entre las celdas en un paquete y los controles térmicos para evitar que una celda encienda a otra celda, que encienda otra celda, etc. en un escenario de desastre de reacción en cadena fuera de control se suma a la complejidad del desarrollo de baterías para vehículos eléctricos. De los cuales, incluso Tesla ha tenido su parte de problemas.

Si bien los paquetes de baterías EV constan de tres partes principales: las celdas de la batería, los sistemas de administración de la batería y una caja o contenedor de algún tipo para mantenerlo todo junto, por ahora, veremos solo las celdas y cómo evolucionaron con Tesla, pero sigue siendo un problema para Toyota.

La celda 18650

La celda cilíndrica 18650 es del tipo de iones de litio que mide 18 mm de diámetro y 65 mm de longitud y pesa aproximadamente 47 gramos. A un voltaje nominal de 3,7 voltios, cada celda puede cargarse hasta 4,2 voltios y descargarse hasta 2,5 voltios, con cada celda almacenando hasta 3500 mAh.

Al igual que un capacitor electrolítico, las celdas de la batería EV de Tesla consisten en láminas largas de ánodos y cátodos separados por un material aislante de carga y se enrollan y empaquetan herméticamente en forma cilíndrica para ahorrar espacio y acumular la mayor cantidad de energía posible. Esas hojas de cátodo (carga negativa) y ánodo (carga positiva) tienen pestañas para conectar cargas similares entre celdas, lo que da como resultado una batería potente, la suma de muchos como uno, por así decirlo.

La celda 2170

Como un capacitor donde su capacitancia (potencia) aumenta al disminuir el espacio entre las láminas del ánodo y el cátodo, cambiando el dieléctrico (el material aislante antes mencionado entre las láminas) a uno de mayor permitividad y aumentando el área tanto del ánodo como del cátodo. Hojas, el siguiente paso en la celda EV de Tesla fue el 2170, que venía en un cilindro ligeramente más grande que el 18650, medía 21 milímetros por 70 milímetros y pesaba aproximadamente 68 gramos. A un voltaje nominal de 3,7 voltios, cada celda puede cargarse hasta 4,2 voltios y descargarse hasta 2,5 voltios, con cada celda almacenando hasta 4800 mAh.

Sin embargo, hay una compensación, principalmente de la cual se trata más de resistencia y calor que de la necesidad de una lata un poco más grande. En el caso del 2170, el aumento en los tamaños de las placas de ánodo/cátodo dio como resultado una ruta más larga para que la carga viajara, lo que significó más resistencia y, por lo tanto, más energía escapando como calor de las celdas, además de interferir con los requisitos de carga rápida.

La celda 4680

Para crear una celda de batería de próxima generación con una potencia aún mayor (pero sin mayor resistencia), los ingenieros de Tesla diseñaron una celda significativamente más grande con lo que se llama un diseño "tabless" que acortó la ruta eléctrica y, por lo tanto, generó menos calor generado por la resistencia. Gran parte de esto se puede atribuir a quién es posiblemente el mejor investigador de baterías del mundo.

La celda 4680 tiene un diseño en forma de teja en espiral que es más simple de fabricar y viene en un tamaño de paquete de 46 mm de diámetro y 80 mm de largo. El peso no está disponible, pero se informa que sus otras características de voltaje son similares o iguales; sin embargo, cada celda tiene una capacidad nominal de alrededor de 9000 mAh, razón por la cual la nueva batería sin mesa de Tesla es tan buena. Además, su velocidad de carga siguió siendo propicia para requisitos rápidos.

¿Entonces, qué significa todo esto?

Si bien aumentar el tamaño en lugar de reducirlo con cada celda parece ir en contra de los deseos de diseño en una celda de batería, las mejoras realizadas en la capacidad de potencia y el control de la generación de calor del 4680 en comparación con el 18650 y el 2170 dieron como resultado básicamente menos celdas. con más potencia por paquete en el mismo tamaño de paquete que el que se usaba con los modelos anteriores de Tesla alimentados con las celdas 18650 y 2170.

Para poner esto en una perspectiva numérica, eso significa que solo se necesitan alrededor de 960 celdas "4680" para llenar el mismo espacio que las 4416 celdas "2170" en la misma cantidad de espacio, pero con beneficios adicionales, como un menor costo por producción de kWh. y un aumento significativo en la potencia usando el paquete de celdas 4680.

Como se informó anteriormente sobre una comparación con la celda 2170, se espera que el 4680 proporcione cinco veces más almacenamiento de energía con 6 veces más potencia, lo que resulta en un aumento de 82 kWh a 95 kWh en el Tesla más nuevo, lo que se traduce en un aumento esperado en la autonomía en carretera. de hasta un 16 por ciento.

Pensamientos finales

Tenga en cuenta que esto es solo lo básico sobre las celdas de batería de Tesla y que hay mucho más detrás de la tecnología. Pero es un buen comienzo para futuros artículos, ya que veremos cómo se administran los paquetes de baterías con respecto al uso de energía, así como los problemas de seguridad con respecto al control de la generación de calor, la pérdida de energía y... por supuesto... el riesgo de EV incendios de batería.

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Timothy Boyer es reportero de Torque News Tesla y EV con sede en Cincinnati. Con experiencia en las primeras restauraciones de automóviles, restaura regularmente vehículos más antiguos con modificaciones de motor para mejorar el rendimiento. Siga a Tim en Twitter en @TimBoyerWrites para conocer las noticias diarias de Tesla y vehículos eléctricos.