Formatos de las celdas

slug: "battery/cell" articleType: "Technology" category: "technology" status: "Published" language: "es" version: 10 title: "Formatos de las celdas" linkTitle: "Formatos de las celdas" description: "Cómo se diferencian las celdas cilíndricas, prismáticas y de bolsa para vehículos eléctricos en su construcción, refrigeración, soporte e integración en el pack." translationStatus: "Translated" storageType: "Database" contentHash: "4cd0c3b470227d92cb0acbf9567eb411b7e03b6b94c141f75289c54c00000b34"

Las celdas para baterías de vehículos eléctricos se fabrican principalmente en formatos cilíndrico, prismático y de bolsa. El formato no identifica la química de la celda ni determina su calidad, pero cambia la forma en que se montan los electrodos y cómo debe refrigerarse, sujetarse, conectarse e integrarse la celda.

Formato, tamaño y construcción interna

En las conversaciones sobre baterías suelen mezclarse tres decisiones distintas:

La química de la celda describe los materiales electroquímicos, como NMC, NCA, LFP, LMFP o iones de sodio.
El formato de la celda describe la envolvente física: cilíndrica, prismática o de bolsa.
La arquitectura del pack describe cómo se conectan, refrigeran, sujetan, protegen e integran las celdas en el vehículo.

Estas decisiones se influyen mutuamente, pero ninguna determina las demás. Una celda prismática puede utilizar química LFP o NMC. Las celdas cilíndricas pueden instalarse en módulos o directamente en una estructura de celda a pack. Las celdas de bolsa pueden disponerse en módulos convencionales o en grupos de celdas integrados de mayor tamaño.

El Departamento de Energía de Estados Unidos identifica los formatos cilíndrico, prismático y de bolsa como las principales formas de las celdas de iones de litio, y señala que sus envolventes y estructuras internas de electrodos y separadores presentan distintas características de fabricación y desmontaje. (US Department of Energy)

Electrodos enrollados

Un conjunto de electrodos contiene capas alternas de electrodo positivo, separador y electrodo negativo.

En una celda enrollada, largas láminas de electrodo y separador se enrollan formando una espiral, conocida habitualmente como jelly roll. Las celdas cilíndricas utilizan un rollo circular. Una celda prismática puede utilizar un rollo enrollado y aplanado que encaja dentro de una carcasa rectangular.

El bobinado es compatible con una producción continua y de alta velocidad porque los fabricantes pueden procesar rollos largos de material de electrodo recubierto. Aun así, la alineación debe controlarse con precisión: un separador dañado, las arrugas o los bordes de electrodo mal colocados pueden crear defectos internos.

Un rollo aplanado no llena perfectamente una envolvente rectangular. Sus extremos curvos también están sometidos a presiones, trayectorias de corriente y movimientos mecánicos distintos de los de sus secciones anchas y rectas.

Electrodos apilados

En una celda apilada, las láminas de electrodo individuales o las unidades de electrodo laminadas se colocan en capas alternas, con material separador entre ellas.

Otro método es el apilado en Z, en el que un separador continuo se pliega de un lado a otro mientras se introducen láminas de electrodo positivo y negativo entre los pliegues. La pila rectangular resultante puede aprovechar con eficiencia el interior de una envolvente prismática o de bolsa porque no tiene extremos curvos en los electrodos.

El apilado exige cortar, colocar, inspeccionar y manipular con precisión muchas capas. La guía de fabricación de Samsung SDI describe el bobinado como el proceso habitual para sus celdas cilíndricas y el apilado en Z como el utilizado para sus celdas prismáticas. (Samsung SDI)

El formato exterior no revela qué proceso interno se ha utilizado. Las celdas prismáticas y de bolsa pueden estar enrolladas, apiladas, plegadas o montadas mediante una combinación de estos métodos específica del proveedor.

La envolvente es una parte activa del diseño

La envolvente de una celda hace mucho más que mantener el electrolito dentro. Según el formato, puede:

Mantener la presión mecánica sobre el conjunto de electrodos
Conducir el calor hacia una superficie de refrigeración
Proteger el separador y los bordes de los electrodos frente a impactos
Conducir uno de los potenciales eléctricos como parte del diseño de los terminales
Proporcionar una vía de venteo controlada
Impedir la entrada de humedad y la salida de electrolito
Transferir cargas al módulo o pack circundante

Las carcasas rígidas de las celdas cilíndricas y prismáticas aportan por sí solas un soporte considerable. Una bolsa flexible depende mucho más de la estructura que la rodea.

El tamaño importa tanto como la forma

Dos celdas del mismo formato pueden diferir enormemente en capacidad, energía, potencia, generación de calor y comportamiento mecánico.

Utilizar muchas celdas pequeñas proporciona:

Menos energía en cada celda individual
Más superficie exterior en relación con la energía almacenada
Más vías eléctricas en paralelo
Más componentes repetidos, soldaduras y posibles puntos de fallo

Utilizar menos celdas de gran tamaño proporciona:

Menos terminales, interconexiones, soldaduras y posiciones de supervisión
Menos material repetido de la carcasa de las celdas para una capacidad determinada del pack
Más energía almacenada en cada celda
Trayectos internos más largos para electrones, iones y calor
Mayores consecuencias si una celda desarrolla un fallo grave

Por tanto, el tamaño de la celda es un continuo, no una categoría de formato distinta.

Celdas cilíndricas

Una celda cilíndrica coloca un rollo de electrodos dentro de una carcasa metálica rígida y redonda. La pared circular sostiene el rollo de manera uniforme y resiste la presión interna sin necesitar grandes paneles planos.

Las celdas cilíndricas se benefician de métodos de producción muy automatizados, desarrollados para aplicaciones de consumo, industriales y de automoción. Su forma regular facilita la manipulación, el giro, la inspección y el transporte a través de los equipos de fabricación.

Las celdas redondas dejan huecos cuando se disponen en un pack rectangular. Estos espacios reducen la eficiencia teórica de empaquetado, pero no siempre se desperdician. Los diseñadores pueden utilizarlos para:

Canales de refrigerante
Aislamiento eléctrico
Adhesivo estructural o espuma
Soportes de celdas
Holgura para la expansión
Barreras destinadas a frenar la propagación térmica

El resultado del pack depende de la eficacia con que estas funciones aprovechen el espacio disponible.

Nombres de los tamaños cilíndricos

Las denominaciones cilíndricas suelen describir el diámetro y la altura aproximados de la celda en milímetros:

18650 o 1865: aproximadamente 18 mm de diámetro y 65 mm de altura
2170 o 21700: aproximadamente 21 mm de diámetro y 70 mm de altura
4680: aproximadamente 46 mm de diámetro y 80 mm de altura
4695: aproximadamente 46 mm de diámetro y 95 mm de altura
46120: aproximadamente 46 mm de diámetro y 120 mm de altura

Las convenciones de nomenclatura no son perfectamente uniformes. Algunos fabricantes utilizan cinco dígitos, mientras que otros omiten el cero final. La denominación describe la envolvente nominal, no la química, la capacidad, la disposición de los terminales ni la construcción interna.

El uso de un cilindro mayor reduce el número de celdas necesarias para una capacidad determinada del pack. Panasonic afirma que su celda 4680 alcanza unas cinco veces la capacidad de su celda 2170. Se trata principalmente de una comparación de capacidad por celda: la 4680 es físicamente mucho mayor, por lo que no significa que tenga cinco veces la densidad energética. (Panasonic Energy)

Las celdas más grandes plantean sus propias exigencias de ingeniería. El calor debe recorrer más distancia desde el centro del rollo, la corriente debe recogerse a través de electrodos mayores y cada celda contiene más energía. Las tolerancias de fabricación, la refrigeración, el venteo y la protección frente a la propagación adquieren una importancia creciente.

El sistema Gen6 de BMW demuestra cómo pueden adaptarse celdas con un diámetro común a distintos vehículos. El BMW iX3 utiliza celdas de 46 mm con una altura de 95 mm, mientras que el BMW iX5 emplea celdas del mismo diámetro y química, pero con 120 mm de altura. BMW afirma que la celda más alta almacena casi un 30% más de energía utilizable por celda. El aumento procede del mayor volumen de la celda; no es un incremento del 30% en la densidad energética. (BMW Group)

Pestañas y recogida de corriente

Las láminas de electrodo recubiertas dentro de una celda cilíndrica deben conectarse a los terminales exteriores.

Un diseño tradicional utiliza una o varias pestañas metálicas discretas soldadas a los colectores de corriente positivo y negativo. Los electrones procedentes de zonas alejadas del electrodo deben desplazarse por la fina lámina antes de llegar a una pestaña. Ese recorrido crea resistencia y puede producir distribuciones desiguales de corriente y temperatura.

Las celdas cilíndricas grandes modernas pueden utilizar:

Varias pestañas distribuidas a lo largo del electrodo
Muchas secciones pequeñas de pestaña
Una conexión continua en el borde de gran parte del rollo
Conexiones en toda la superficie entre el borde del colector y el conjunto del terminal

El término sin pestañas se utiliza habitualmente para los diseños de pestaña continua, pero la conexión eléctrica no ha desaparecido. En su lugar, una parte amplia del borde del colector de corriente actúa como conexión. Las investigaciones sobre la recogida de corriente en celdas cilíndricas muestran que unas pestañas adicionales o mejor distribuidas pueden reducir el aumento de temperatura y los gradientes térmicos. (Journal of Power Sources)

El beneficio depende de que el corte, el plegado, la soldadura y el contacto eléctrico sean uniformes en todo el rollo de electrodos. Una geometría ingeniosa que resulte difícil de fabricar de forma repetible puede perder su ventaja teórica.

Refrigeración de las celdas cilíndricas

El calor puede salir de una celda cilíndrica a través de:

La pared lateral curva
La base
El extremo de los terminales
Material conductor colocado entre celdas vecinas

La refrigeración lateral ofrece una gran superficie de contacto, pero requiere estructuras de refrigeración entre las filas de celdas. La refrigeración por la base o por los terminales puede simplificar el montaje del pack, aunque el calor debe desplazarse entonces a lo largo de la altura del rollo.

El rollo de electrodos es térmicamente anisótropo: el calor se desplaza con más facilidad en unas direcciones que en otras. Por tanto, el mejor método de refrigeración depende de la altura y el diámetro de la celda, el diseño de las pestañas, la química, la demanda de potencia y la diferencia de temperatura que el pack pueda tolerar.

Ventajas de las celdas cilíndricas

Una envolvente rígida con una resistencia eficiente a la presión
Producción madura y muy automatizada
Geometría uniforme para manipulación e inspección
Capacidad flexible del pack mediante grupos de celdas en paralelo
Gran superficie respecto a la energía cuando se emplean celdas pequeñas
Familias de tamaños y equipos de fabricación consolidados

Limitaciones de las celdas cilíndricas

Las celdas redondas no pueden llenar por completo un volumen rectangular
Los packs de celdas pequeñas necesitan muchas soldaduras e interconexiones
Los cilindros grandes concentran más energía en cada posible fallo
El pack debe proporcionar una refrigeración uniforme a muchas celdas
La orientación de las celdas y la posición de los terminales condicionan la disposición del pack
Una sola medición exterior no permite deducir perfectamente la temperatura del núcleo interno

Celdas prismáticas

Una celda prismática utiliza una envolvente rectangular rígida, normalmente de aluminio o acero. Su conjunto de electrodos puede ser un rollo aplanado o una pila de capas individuales.

La forma rectangular permite aprovechar con eficiencia la superficie del piso del vehículo y construir un pack con un número relativamente pequeño de celdas grandes. Menos celdas reducen el número de terminales, uniones de barras colectoras, soldaduras y puntos de supervisión de tensión.

Las caras anchas pueden apoyarse contra placas de refrigeración o estructuras de compresión. La carcasa metálica también proporciona protección frente a impactos y una ubicación definida para los terminales, las juntas, una válvula de presión y, en ocasiones, un mecanismo de interrupción de corriente o fusible.

Las paredes planas requieren un control mecánico cuidadoso. Los materiales de los electrodos cambian de dimensiones con el estado de carga, la temperatura y la edad, mientras que las reacciones secundarias pueden generar gas. El pack debe permitir el movimiento normal y, al mismo tiempo, evitar una hinchazón excesiva, la pérdida de contacto con la refrigeración o una presión local dañina.

Las celdas prismáticas grandes también pueden desarrollar gradientes internos de temperatura y estado de carga. Refrigerar una cara o solo la base no garantiza que todas las partes de la pila de electrodos permanezcan a la misma temperatura.

Plataformas normalizadas y celdas específicas de cada proveedor

A diferencia de las celdas cilíndricas, las prismáticas no siguen un único conjunto de dimensiones exteriores ampliamente utilizado. Su altura, anchura, grosor, posición de los terminales, diseño de venteo y capacidad suelen adaptarse a un fabricante o una plataforma de vehículo.

Esto puede mejorar la integración, pero reduce la intercambiabilidad. Dos celdas prismáticas con química y capacidad similares pueden no caber en el mismo pack ni utilizar las mismas interfaces de compresión, refrigeración y conexión eléctrica.

La Unified Cell del Grupo Volkswagen, desarrollada por PowerCo, es un ejemplo de normalización dentro de un grupo automovilístico. Es una plataforma prismática destinada a admitir distintos proveedores, vehículos y químicas de electrodos. PowerCo inició la producción con una versión NMC y afirma que le seguirán variantes LFP. (Volkswagen Group)

La Unified Cell no es una química nueva ni hace que todas sus versiones sean electroquímicamente idénticas. Los materiales de los electrodos, la carga de material activo, la capacidad, la ventana de tensión, la capacidad de carga y los requisitos térmicos pueden seguir variando dentro de un concepto exterior común.

Celdas prismáticas largas y tipo Blade

Una celda tipo Blade es una celda prismática larga y estrecha. No constituye un cuarto formato fundamental.

La Blade Battery de BYD utiliza celdas LFP largas y planas colocadas directamente en una matriz, sin módulos intermedios convencionales.

BYD describe cada celda como un elemento que contribuye a la estructura del pack. Su forma alargada permite que una celda atraviese gran parte de la carcasa, reduce el número de conexiones eléctricas repetidas y proporciona superficies amplias para la transferencia de calor. (BYD)

Muchas ventajas atribuidas a una celda tipo Blade proceden de la relación entre sus dimensiones y el pack construido a su alrededor. Una celda prismática larga no proporciona automáticamente una alta densidad energética del pack, carga rápida ni gran resistencia a los impactos.

Sus limitaciones también proceden de esa estrecha integración:

La longitud de la celda y la anchura del pack deben diseñarse conjuntamente
La alineación y las tolerancias dimensionales afectan a un componente largo
La temperatura y la presión deben mantenerse controladas en toda la celda
Una celda contiene una cantidad considerable de energía
Sustituir una celda individual puede ser difícil en una estructura muy integrada

El comportamiento térmico de la Blade Battery también refleja su química LFP, el diseño de los electrodos, el estado de carga y el sistema completo del pack de BYD. No se debe atribuir a la forma de la celda un comportamiento relacionado con la química.

Ventajas de las celdas prismáticas

Aprovechamiento eficiente del espacio rectangular del pack
Menos celdas y conexiones eléctricas
Envolvente rígida y componentes de venteo definidos
Superficies amplias para refrigeración y compresión
Dimensiones adaptables a una plataforma de vehículo
Buena compatibilidad con packs sin módulos

Limitaciones de las celdas prismáticas

Las grandes superficies planas requieren expansión y compresión controladas
Pueden desarrollarse gradientes térmicos internos en una celda grande
Cada celda contiene una cantidad considerable de energía
Las dimensiones y las interfaces suelen ser específicas del proveedor
Una celda diseñada para una plataforma puede ser difícil de reutilizar en otra
Las celdas grandes hacen que el pack sea más sensible a la uniformidad de cada una

Celdas de bolsa

Una celda de bolsa utiliza una envolvente laminada y flexible en lugar de una carcasa metálica rígida. La película suele combinar una capa de barrera de aluminio con capas de polímero que aportan aislamiento eléctrico, protección mecánica y superficies termosellables.

La bolsa contiene un conjunto de electrodos enrollado, apilado, laminado o plegado. Las grandes celdas de bolsa para automoción suelen utilizar diseños apilados porque las capas rectangulares aprovechan eficientemente la envolvente.

Durante el proceso de montaje de celdas de bolsa de LG Energy Solution, se apilan unidades de electrodo laminadas, se sueldan los terminales a la pila y esta se introduce en una bolsa conformada. El electrolito se añade a través de un bolsillo temporal para gases. El gas producido durante los primeros ciclos de formación se elimina posteriormente antes de que la bolsa reciba su sellado definitivo. (LG Energy Solution)

La envolvente laminada añade poca masa a la carcasa de la celda, pero no sujeta los electrodos como una carcasa rígida. Una celda de bolsa debe tratarse como parte de un sistema mecánico que incluye:

Placas o bastidores de compresión
Almohadillas flexibles que admiten la expansión
Protección para los bordes de la celda y las juntas de los terminales
Una interfaz de refrigeración controlada
Barreras entre celdas adyacentes
Un soporte que impide la flexión durante el montaje y el uso del vehículo

Las celdas de bolsa suelen cambiar ligeramente de grosor durante los ciclos. Puede producirse una hinchazón adicional a medida que envejecen o si las reacciones secundarias generan gas. La compresión debe ser suficientemente fuerte y uniforme para mantener el contacto, pero no tan alta o desigual como para dañar la pila de electrodos.

Refrigeración de las celdas de bolsa

Las caras anchas de una celda de bolsa ofrecen una gran superficie potencial de refrigeración. Las placas pueden entrar en contacto con una o ambas caras, o el pack puede extraer calor por un borde o por los terminales de los electrodos.

Es esencial que exista un buen contacto con las caras. Si la hinchazón, las variaciones de tolerancia o una compresión insuficiente crean un hueco, aumenta la resistencia térmica local. Las almohadillas y los materiales de interfaz térmica deben mantener el contacto y, al mismo tiempo, permitir los cambios dimensionales normales.

El calor se desplaza con más facilidad a lo largo de las láminas metálicas de los electrodos que directamente a través de las numerosas capas de electrodo y separador. Por tanto, la temperatura superficial puede ocultar una zona interna más caliente, especialmente en una celda grande o gruesa.

Ventajas de las celdas de bolsa

Baja masa de la envolvente
Uso eficiente del volumen interno de la celda
Anchura, altura y grosor flexibles
Superficies amplias que pueden acoplarse a placas de refrigeración
Menos celdas que en packs con formatos cilíndricos pequeños
Compatibilidad con la construcción de electrodos apilados

Limitaciones de las celdas de bolsa

El pack debe aportar la mayor parte del soporte mecánico
Son esenciales la compresión y el margen para la expansión
Los bordes laminados y las juntas de los terminales necesitan una protección cuidadosa
Las grandes celdas flexibles son exigentes de manipular y montar
La hinchazón puede modificar el contacto térmico y la presión mecánica
Los bastidores, las almohadillas y las protecciones compensan parte del ahorro de peso de la celda

Cómo cambia el formato de la celda la ingeniería del pack

El formato de la celda no actúa de manera aislada. Su valor depende de lo bien que la arquitectura del pack aproveche sus ventajas y compense sus limitaciones.

Número de celdas y conexiones eléctricas

Un pack que utiliza miles de celdas cilíndricas pequeñas necesita muchas soldaduras y vías de corriente en paralelo. Un pack con grandes celdas prismáticas o de bolsa necesita muchas menos conexiones, pero cada conexión conduce más corriente y cada celda representa una parte mayor de la capacidad total.

Tener menos celdas puede simplificar la supervisión y el montaje. Tener más puede ofrecer incrementos más pequeños de capacidad y más vías en paralelo. Ninguna estrategia garantiza la fiabilidad: el resultado depende de la calidad de producción, el diseño de las interconexiones, la detección de fallos y las protecciones eléctricas.

Vías de refrigeración

Las celdas cilíndricas ofrecen superficies curvas y varias direcciones posibles de refrigeración. Las prismáticas y de bolsa ofrecen superficies amplias y planas, pero pueden desarrollar gradientes a través de su grosor.

El sistema de refrigeración debe adaptarse a:

Dónde se genera el calor dentro de la celda
La facilidad con que el calor atraviesa el conjunto de electrodos
La distancia desde la zona interna más caliente hasta el refrigerante
La potencia de carga y descarga
La diferencia de temperatura aceptable entre celdas
La expansión de la celda a lo largo de su vida

Por eso, un mismo formato puede ofrecer resultados muy distintos en dos vehículos.

Compresión y soporte estructural

Las celdas de bolsa necesitan compresión externa. Las celdas prismáticas grandes también requieren una sujeción controlada, aunque sus carcasas aportan más soporte. Las carcasas cilíndricas son más autoportantes, pero siguen necesitando un posicionamiento preciso y protección frente a vibraciones e impactos.

La estructura circundante añade masa y ocupa espacio. Por eso, la densidad energética a nivel de celda no debe confundirse con la densidad energética a nivel de pack.

Energía del fallo y propagación

Una celda más grande contiene más energía, por lo que un fallo grave puede liberar más calor y gas en un solo punto. Una celda pequeña contiene menos energía, pero el pack tiene más celdas vecinas y más vías posibles de propagación.

El formato afecta a la dirección de venteo, la separación, las barreras y la transferencia de calor, pero no puede determinar por sí solo la seguridad. También importan la química, el estado de carga, la calidad de las celdas, los dispositivos de protección, la refrigeración, la estructura contra impactos, la gestión de gases y los ensayos de propagación.

Celda a pack no es un formato de celda

Celda a pack significa que las celdas se integran en el pack sin módulos independientes convencionales. Los diseños sin módulos pueden utilizar celdas cilíndricas, prismáticas o de bolsa.

Eliminar las carcasas de los módulos y la estructura duplicada puede mejorar la eficiencia de espacio y masa. También transfiere más responsabilidades a la carcasa del pack, entre ellas:

Posicionamiento y sujeción de las celdas
Aislamiento eléctrico
Contacto con la refrigeración
Gestión de cargas en caso de impacto
Gestión del fuego y los gases
Control de tolerancias de fabricación
Estrategia de servicio y reparación

El resultado depende del diseño completo, no simplemente de eliminar los módulos.

Fabricación, reparación y reciclaje

Las celdas pequeñas normalizadas pueden simplificar la producción de celdas y, al mismo tiempo, crear un montaje complejo del pack. Las grandes celdas específicas de una plataforma pueden simplificar el montaje del pack, pero requieren herramientas y equipos de manipulación específicos.

Los packs muy integrados pueden reducir el número de piezas y el peso, pero los adhesivos, las espumas estructurales, las celdas largas y la instalación directa de celda a pack pueden dificultar el diagnóstico, el desmontaje y la sustitución de celdas individuales.

Los procesos de reciclaje también se enfrentan a distintas carcasas, adhesivos, materiales de refrigeración y rutas de desmontaje. El Departamento de Energía señala que la envolvente y el montaje de los electrodos influyen en la facilidad con que pueden abrirse y procesarse las celdas. (US Department of Energy)

Qué significa el formato de las celdas para un comprador

El formato de la celda resulta útil para comprender decisiones de ingeniería, pero no es una clasificación de calidad.

Un vehículo no:

Carga automáticamente más rápido por utilizar celdas cilíndricas
Recorre automáticamente más distancia por utilizar celdas de bolsa
Dura automáticamente más por utilizar celdas prismáticas
Resiste automáticamente la propagación térmica por utilizar celdas tipo Blade
Ofrece automáticamente una alta densidad energética del pack por utilizar una construcción de celda a pack

Para un vehículo eléctrico concreto, las preguntas más útiles son:

¿Cuáles son las capacidades bruta y utilizable de la batería?
¿Qué eficiencia tiene el vehículo?
¿Cómo es la curva de carga?
¿Se puede preacondicionar la batería antes de la carga rápida?
¿Cómo cambia la carga con frío o calor?
¿Cómo refrigera y calienta las celdas el sistema de gestión térmica?
¿Qué condiciones de degradación y garantía se aplican?
¿Cómo ha probado el fabricante la propagación entre celdas?
¿Es posible diagnosticar y sustituir módulos o grupos de celdas individuales?
¿Una reparación del pack exige sustituir la batería completa?

El formato ayuda a explicar por qué un fabricante ha elegido una determinada estrategia de refrigeración, estructura, fabricación o mantenimiento. El vehículo terminado determina si esa estrategia funciona bien.

Para conocer los materiales que contiene cada formato, consulte Química y componentes de las celdas. Las conexiones eléctricas y la jerarquía estructural se explican en Pack de baterías y configuración, mientras que los sistemas de refrigeración se describen en Gestión térmica de la batería.