Fundamentos de la batería de un vehículo eléctrico: cómo las celdas almacenan y liberan energía

La batería de un vehículo eléctrico almacena energía químicamente. La carga lleva sus celdas a un estado químico de mayor energía. Durante la conducción, las celdas liberan esa energía en forma de electricidad, que la electrónica de potencia y los motores del vehículo convierten en movimiento.

De la celda al paquete de baterías

Una celda es la unidad electroquímica completa más pequeña de la batería. Una sola celda de iones de litio genera apenas unos pocos voltios, por lo que un vehículo eléctrico conecta muchas celdas para obtener la tensión y la energía que necesita.

Las celdas pueden agruparse en módulos que después forman un paquete, o integrarse directamente en el paquete sin módulos convencionales. El paquete reúne las celdas y los equipos necesarios para conectarlas, protegerlas y gestionarlas. El capítulo Paquete de baterías y configuración trata las conexiones eléctricas y la construcción del paquete; Formatos de celda explica las celdas cilíndricas, prismáticas y de tipo bolsa.

¿Qué hay dentro de una celda?

En una celda convencional de iones de litio, dos electrodos alojan litio en sus materiales activos. El electrodo negativo suele estar basado en grafito; el positivo utiliza un compuesto que contiene litio. Su combinación contribuye a determinar la tensión de la celda y cuánta energía puede almacenar.

La literatura sobre baterías suele llamar ánodo al electrodo negativo y cátodo al positivo. Estos nombres describen sus funciones durante la descarga y normalmente se mantienen al hablar de la carga.

Otros tres componentes conectan y separan los electrodos:

• El electrolito transporta iones entre ellos. Los electrolitos líquidos convencionales contienen una sal de litio disuelta en disolventes orgánicos.
• El separador es una membrana porosa que mantiene separados los electrodos y permite que los iones atraviesen el electrolito presente en sus poros.
• Los colectores de corriente son láminas conductoras que conectan los materiales activos con los terminales de la celda. Habitualmente se utiliza cobre en el lado negativo y aluminio en el positivo. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

El capítulo Química y componentes de las celdas compara los materiales de los electrodos y los diseños de electrolito.

Cómo funcionan la carga y la descarga

Durante la descarga, los iones de litio se desplazan del electrodo negativo al positivo a través del electrolito. Los electrones fluyen del electrodo negativo al positivo por el circuito externo y suministran energía eléctrica al vehículo. El electrolito conduce iones, pero bloquea el paso de electrones, por lo que estos siguen el recorrido externo.

La carga invierte el proceso. Una fuente de alimentación aporta electrones al electrodo negativo y los retira del positivo. Los iones de litio regresan al electrodo negativo a través del electrolito, aumentando la energía química almacenada en la celda. DOE Explains: Batteries

La frenada regenerativa carga la batería con energía recuperada del movimiento del vehículo: el motor actúa como generador y devuelve energía eléctrica a través de la electrónica de potencia.

Las celdas de iones de litio y de iones de sodio comparten este principio de funcionamiento. La ilustración muestra iones de litio (Li⁺) y de sodio (Na⁺) moviéndose entre los electrodos. Las celdas de iones de sodio utilizan materiales adaptados a las distintas propiedades del sodio. Anuncio de la primera generación de baterías de iones de sodio (CATL, 2021)

Tensión, corriente, potencia y energía

Las especificaciones de una batería utilizan varias magnitudes que responden a preguntas diferentes:

• La tensión, medida en voltios (V), es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.
• La corriente, medida en amperios (A), es la cantidad de carga eléctrica que circula por unidad de tiempo.
• La capacidad de carga eléctrica, medida en amperios-hora (Ah), es la cantidad de carga que una celda o batería puede suministrar en condiciones determinadas.
• La potencia, medida en kilovatios (kW), expresa la rapidez con la que se suministra o recibe energía.
• La energía, medida en kilovatios-hora (kWh), es la cantidad suministrada, recibida o almacenada.

En los terminales de corriente continua de la batería:

Potencia (kW) = Tensión (V) × Corriente (A) ÷ 1.000

Por ejemplo, una batería que suministra una potencia constante de 20 kW durante media hora entrega:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Esa es la energía entregada en los terminales de la batería. La energía que llega a las ruedas es menor, porque la electrónica de potencia y el motor también tienen pérdidas. Del mismo modo, la energía recibida del cargador supera el aumento de energía almacenada en la batería, ya que la carga tiene pérdidas.

A partir de la capacidad de carga eléctrica puede calcularse un valor aproximado de la energía nominal:

Energía (kWh) ≈ Tensión nominal (V) × Capacidad (Ah) ÷ 1.000

Por tanto, los Ah por sí solos no bastan para comparar la energía de baterías con tensiones diferentes. La aproximación utiliza una tensión representativa; una medición precisa de la energía tiene en cuenta cómo cambia la tensión durante la carga o la descarga.

Estado de carga y límites de funcionamiento

El estado de carga (SOC) expresa la carga restante estimada como porcentaje de una capacidad definida. El SOC se estima a partir de mediciones como la corriente, la tensión y la temperatura. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

El porcentaje mostrado por un vehículo eléctrico corresponde al intervalo de funcionamiento accesible al conductor. Los valores indicados de 0% y 100% no son los límites electroquímicos absolutos de la celda. El capítulo Reserva de la batería y capacidad utilizable explica la capacidad bruta y neta (utilizable) y los márgenes de reserva.

La tensión de la celda varía con el SOC, la química, la temperatura y la corriente. La tensión nominal es un valor de referencia, no un límite de carga. Por ejemplo, Molicel especifica una tensión nominal de 3,6 V, una tensión de carga de 4,2 V y una tensión de corte de descarga de 2,5 V para su celda INR-21700-P42A. Otros diseños de celda pueden utilizar límites de tensión diferentes. Ficha técnica Molicel INR-21700-P42A, versión 1.7

Los límites de tensión superior e inferior afectan de forma distinta a la carga y a la conducción. Cerca de la carga completa, la potencia de carga disminuye para mantener las celdas dentro de sus límites superiores de tensión. Con poca carga, el vehículo puede reducir la potencia de propulsión para mantener las tensiones de las celdas por encima de sus límites inferiores. El capítulo Carga de la batería explica cómo los límites de carga determinan la potencia suministrada durante una sesión.

El sistema de gestión de la batería (BMS) supervisa las tensiones de las celdas o de los grupos en paralelo, la corriente de la batería y las temperaturas donde se encuentran los sensores. Estima el estado de la batería y coordina con el vehículo la carga y descarga permitidas para mantener las celdas dentro de sus límites de funcionamiento. Guía técnica del sistema de gestión de la batería El capítulo Sistema de gestión de la batería explica estas funciones con más detalle.

Por qué importan la temperatura y la corriente

La resistencia interna produce calor cuando circula corriente. Con la misma resistencia, duplicar la corriente cuadruplica el calentamiento resistivo. El frío puede aumentar la resistencia y reducir la potencia disponible. Las reacciones de las celdas también pueden absorber o liberar calor. Este efecto reversible depende de la química y del estado de carga. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Los límites de temperatura pueden restringir tanto la carga como la propulsión. El frío dificulta especialmente la carga de las celdas de iones de litio basadas en grafito, porque el litio puede depositarse en la superficie del electrodo (deposición de litio) en lugar de entrar en su estructura. Los controles del vehículo reducen la corriente de carga y pueden calentar primero la batería.

La frenada regenerativa puede verse limitada si la batería está fría o llena, porque ambas condiciones restringen la potencia que puede aceptar. Manual del propietario del Model 3: frenado y parada Los sistemas de calefacción y refrigeración ayudan a mantener unas condiciones adecuadas, como explica el capítulo Gestión térmica de la batería.

El siguiente vídeo de The Limiting Factor ilustra el funcionamiento de una celda de iones de litio.