Formatos de células de baterias de veículos elétricos: cilíndricas, prismáticas e pouch

As células de baterias de veículos elétricos têm três formatos principais: células cilíndricas em invólucros metálicos redondos, células prismáticas em caixas metálicas retangulares e células pouch seladas em filme laminado flexível. Baazouzi e colegas: projeto e fabricação de células cilíndricas (2023) O formato e o invólucro afetam como elas se encaixam, como o calor sai da célula e como a bateria lhes dá suporte.

Este capítulo explica essa construção física, a partir dos materiais descritos em Química e componentes das células.

Formato da célula e montagem interna

Dentro de uma célula, eletrodos positivos e negativos finos são separados por um separador eletricamente isolante. Essas camadas formam um conjunto repetido, que pode ser enrolado ou empilhado.

O enrolamento transforma tiras contínuas de eletrodos e separador em uma estrutura frequentemente chamada de jelly roll. As células cilíndricas usam um enrolamento redondo. Uma caixa prismática pode conter enrolamentos achatados ou eletrodos empilhados. Baazouzi e colegas: projeto e fabricação de células cilíndricas (2023) No empilhamento em Z, folhas individuais de eletrodos são colocadas em lados alternados de um separador dobrado para a frente e para trás. A Samsung SDI descreve o enrolamento e o empilhamento em Z como formas diferentes de montar as mesmas camadas essenciais e destaca a importância do alinhamento preciso durante o enrolamento para evitar curtos-circuitos internos. Samsung SDI: montagem de células, enrolamento e empilhamento em Z (2026)

O invólucro e a montagem interna são, portanto, escolhas de projeto distintas. “Prismática” descreve o formato externo; não informa se os eletrodos internos são enrolados ou empilhados. Da mesma forma, o formato não especifica a química: LFP e NMC descrevem materiais dos eletrodos, enquanto cilíndrica, prismática e pouch descrevem a construção física. PowerCo: primeiras células de Salzgitter e arquitetura Unified Cell (2025)

Células cilíndricas

Uma célula cilíndrica contém seus eletrodos enrolados em um invólucro metálico rígido. Baazouzi e colegas: projeto e fabricação de células cilíndricas (2023) Esse invólucro dá à célula um formato definido para manuseio e montagem. Quando os cilindros são agrupados, ficam espaços entre suas superfícies curvas. Os projetistas da bateria podem usar parte desse espaço para resfriamento ou outros componentes.

Tamanhos e nomenclatura

As designações de tamanho mais comuns descrevem o diâmetro e a altura aproximados. Uma célula 18650 tem cerca de 18 mm de diâmetro e 65 mm de altura. Panasonic: dimensões das células 18650 (2012) Uma célula 21700, também chamada de 2170, mede aproximadamente 21 mm por 70 mm. Panasonic: designações de tamanho das células cilíndricas (2021) Uma célula 4680 mede aproximadamente 46 mm por 80 mm. Baazouzi e colegas: projeto e fabricação de células cilíndricas (2023) Essas são descrições nominais de tamanho; as dimensões e tolerâncias exatas vêm da especificação de cada célula.

Abas e coleta de corrente

Os revestimentos dos eletrodos ficam sobre folhas metálicas chamadas de coletores de corrente. As conexões elétricas entre essas folhas e os terminais da célula são normalmente chamadas de abas. Sua posição determina a distância que a corrente precisa percorrer pela folha e onde a resistência elétrica gera calor.

Um projeto com poucas abas localizadas concentra a coleta de corrente nesses pontos. Várias abas, ou conexões distribuídas ao longo das bordas dos eletrodos, encurtam os caminhos pela folha. Li e colegas: projeto de abas e resfriamento de células cilíndricas (2021) Projetos descritos como “tabless”, ou sem abas, continuam tendo conexões elétricas: o termo descreve a coleta de corrente distribuída, em vez de poucas abas separadas. Baazouzi e colegas documentam conexões feitas pelas bordas expostas das folhas dos coletores de corrente. Baazouzi e colegas: projeto e fabricação de células cilíndricas (2023)

O calor pode sair pela parede lateral ou pelas extremidades, dependendo das superfícies conectadas ao sistema de resfriamento. Em um modelo validado da célula LG M50T 21700, Li e colegas constataram que a coleta de corrente distribuída reduziu a geração de calor e as diferenças internas de temperatura. Nas simulações de descarga a 3C do estudo, um projeto com aba contínua e resfriamento lateral por condução apresentou o melhor desempenho de resfriamento. Nesse modelo, resfriar as laterais foi mais eficaz do que resfriar apenas a base. Li e colegas: projeto de abas e resfriamento de células cilíndricas (2021)

Células prismáticas

As células prismáticas usam uma caixa retangular rígida. Baazouzi e colegas: projeto e fabricação de células cilíndricas (2023) Seu formato permite colocar células vizinhas face a face, reservando espaço para isolamento, suporte e a configuração de resfriamento escolhida. A espessura da célula, a posição dos terminais e a folga para expansão determinam a montagem final.

Um invólucro comum também pode acomodar diferentes químicas. No anúncio de dezembro de 2025 sobre as primeiras células produzidas em Salzgitter, a PowerCo descreveu sua Unified Cell como uma arquitetura prismática padronizada. As primeiras células usavam química NMC, com LFP prevista para depois. A versão inicial NMC e a versão LFP planejada ilustram como uma arquitetura física comum pode acomodar diferentes materiais de eletrodos. PowerCo: primeiras células de Salzgitter e arquitetura Unified Cell (2025)

Onde se encaixam as células BYD Blade

O projeto Blade da BYD usa células prismáticas longas e estreitas, classificadas nessa família no estudo de formatos de células do Fraunhofer ISI. Fraunhofer ISI: formatos de células de íons de lítio (2022) No catálogo do SEAL de 2024, a BYD descreve um conjunto de células finas e alongadas que usam LFP como material do cátodo. BYD Irlanda: catálogo do SEAL MY2024, Blade Battery

“Blade” identifica o projeto da BYD, e LFP, o material do cátodo. Cell-to-pack e cell-to-body descrevem como as células são integradas à bateria ou à estrutura do veículo.

Células pouch

Uma célula pouch envolve o conjunto de eletrodos em filme laminado com uma camada de barreira de alumínio e camadas de polímero. Departamento de Energia dos Estados Unidos: relatório sobre fabricação sustentável e economia circular (2023) Sem um invólucro rígido, a célula depende mais da montagem ao redor para obter suporte mecânico e proteção. Fraunhofer ISI: formatos de células de íons de lítio (2022) Suas bordas seladas e os condutores dos terminais também ocupam espaço ao redor do conjunto de eletrodos. LG Energy Solution: montagem de células pouch (2023)

A LG Energy Solution descreve um processo de produção de células pouch em que unidades de eletrodos laminados são empilhadas, os condutores são soldados e o conjunto é inserido em um invólucro flexível previamente moldado. A célula é preenchida com eletrólito e selada. Uma bolsa temporária de gás acomoda os gases produzidos durante a formação; esse gás é removido antes da selagem final. LG Energy Solution: montagem de células pouch (2023)

Suporte, expansão e pressão

Depois que o gás de formação é removido, a célula ainda muda de espessura durante o uso. Os eletrodos mudam de volume conforme a célula carrega e descarrega. Parte da mudança de espessura é reversível com o estado de carga, enquanto o envelhecimento pode causar expansão permanente. A estrutura ao redor precisa acomodar essas mudanças e manter o contato previsto entre as camadas e as superfícies de resfriamento.

A compressão externa é uma forma de controlar esse contato. A pressão necessária e sua variação conforme a célula se expande dependem da célula e de sua instalação. Mais pressão não é automaticamente melhor. Em experimentos com células pouch comerciais de 60 Ah e química NMC622/grafite, Michelini e colegas constataram que a maior pré-carga mecânica testada produziu menos espessamento permanente, mas perda de capacidade mais rápida. Esses resultados apoiam a definição e a validação de uma faixa de pressão para cada célula, em vez de estabelecer uma única exigência de compressão para todas as células pouch. Michelini e colegas: expansão de células pouch sob diferentes pré-cargas mecânicas (2023)

Resfriamento de uma célula plana

As faces largas de uma célula pouch oferecem uma grande área de contato para resfriamento. Ainda assim, o calor se propaga de forma diferente ao longo das camadas de eletrodos e através delas. Medições de Lin e colegas em uma célula pouch LFP comercial de 20 Ah totalmente carregada indicaram condutividades térmicas de cerca de 26,6 W/(m·K) ao longo das camadas e 0,52 W/(m·K) através do empilhamento: uma diferença de aproximadamente 50 vezes. Esse comportamento direcional ajuda a explicar por que a espessura da célula, a área de contato e a posição das superfícies de resfriamento são importantes. Lin e colegas: condutividade térmica direcional em células pouch (2022)

O resfriamento pelas abas oferece outro caminho. Em experimentos com células pouch NMC de 5 Ah, Hunt e colegas constataram que o resfriamento pela superfície criava diferenças de temperatura entre as camadas de eletrodos, provocando uma distribuição desigual de corrente. Durante ciclos com descarga a 6C e carga a 2C, a célula resfriada pela superfície perdeu capacidade utilizável sob carga mais rapidamente do que a resfriada pelas abas, embora a capacidade medida em baixa taxa tenha diminuído de forma semelhante nas duas. Cada ensaio usou uma célula por configuração de resfriamento, com resultados comparáveis relatados em dois ensaios com equipamentos de ciclagem diferentes. Hunt e colegas: resfriamento de células pouch pela superfície e pelas abas (2016) Os circuitos de fluido de arrefecimento e o controle de temperatura do veículo são abordados em Gerenciamento térmico da bateria.

O que muda quando as células ficam maiores?

Uma célula maior pode armazenar mais energia e reduzir a quantidade de células separadas necessária para determinada capacidade da bateria. Ela também altera a coleta de corrente, o fluxo de calor e o número de conexões externas.

Mais energia por célula e maior densidade

Em setembro de 2024, a Panasonic descreveu sua célula 4680 como tendo cinco vezes a capacidade da célula 2170. Panasonic Energy: desenvolvimento da 4680 e comparação de capacidade (2024) Usando as dimensões nominais acima, a EVKX calcula uma razão entre volumes de cilindros de (46² × 80) / (21² × 70), ou cerca de 5,5 vezes. Portanto, o aumento de capacidade acompanha um aumento substancial no tamanho da célula.

O anúncio do iX5 feito pela BMW em junho de 2026 oferece outro exemplo: células com 46 mm de diâmetro e 120 mm de altura, usando a mesma química das células de 95 mm de altura do iX3. A BMW atribuiu ao aumento de altura quase 30% mais energia utilizável por célula. BMW: anúncio do iX5 e dimensões das células cilíndricas (2026) Com diâmetros iguais, o volume nominal aumenta na razão de 120 / 95, ou aproximadamente 26%.

Uma comparação de densidade de energia exige energia medida na mesma base, dividida pelo volume ou pela massa reais da célula. Os cálculos de volume nominal acima contextualizam as alegações de capacidade por célula.

Conexões e monitoramento de tensão

Usar menos células pode reduzir o número de conexões externas entre células. A necessidade de monitoramento de tensão, porém, depende da configuração elétrica. Células conectadas diretamente em paralelo compartilham a mesma tensão, por isso o sistema de gerenciamento da bateria normalmente mede esse grupo paralelo como uma única posição em série.

Assim, substituir várias células menores em paralelo por uma célula maior pode reduzir a quantidade física de células sem reduzir o número de tensões monitoradas. Em uma resposta no fórum de suporte TI E2E, o engenheiro Matt Sunna, da Texas Instruments, explica que o monitor trata células conectadas diretamente em paralelo como uma célula maior. Resposta no fórum de suporte TI E2E: monitoramento de grupos de células em paralelo A posição dos sensores de temperatura é uma decisão de projeto separada.

Caminhos elétricos, térmicos e iônicos

Aumentar as dimensões de uma célula pode alongar os caminhos pelas folhas dos coletores de corrente ou do interior da célula até uma superfície de resfriamento. A posição das abas e a geometria de resfriamento tratam desses caminhos elétricos e térmicos.

O transporte de íons de lítio ocorre localmente pelos poros preenchidos com eletrólito e pelo separador, além de ocorrer dentro das partículas de material ativo. Tornar uma célula mais alta ou mais larga não alonga, por si só, esses caminhos. A espessura do revestimento dos eletrodos, a estrutura dos poros e as dimensões das partículas os determinam. Um invólucro maior e um revestimento mais espesso são escolhas de projeto distintas; Química e componentes das células explica os compromissos envolvidos nos eletrodos.

Proteção no nível da célula

Invólucros rígidos cilíndricos e prismáticos podem incorporar dispositivos de alívio de pressão. Alguns projetos cilíndricos também incluem um dispositivo de interrupção de corrente acionado por pressão (CID), que interrompe o caminho elétrico, e um elemento de coeficiente de temperatura positivo (PTC), cuja resistência aumenta com o aquecimento. Projetos pouch podem liberar gás por uma costura do invólucro termosselado. Um estudo apresentado no workshop de baterias da NASA em 2021 descreve esses mecanismos e testa células cilíndricas sem elementos PTC, mostrando por que é necessário verificar os dispositivos presentes em cada projeto de célula. Chung e colegas, workshop de baterias da NASA: dispositivos de segurança das células (2021)

Comparação dos três formatos

Conjunto da bateria e configuração aborda como as células são conectadas, resfriadas e sustentadas na bateria de um veículo; Segurança da bateria aborda a contenção de falhas.