Formatos das células de baterias de veículos elétricos: cilíndricas, prismáticas e de bolsa

As células das baterias de veículos elétricos existem em três formatos principais: cilíndricas com invólucro metálico redondo, prismáticas com invólucro metálico retangular e de bolsa, seladas numa película laminada flexível. Baazouzi e colaboradores: conceção e fabrico de células cilíndricas (2023) A forma e o invólucro influenciam a disposição das células, a dissipação de calor e a forma como a bateria as suporta.

Este capítulo explica essa construção física, dando continuidade aos materiais descritos em Química e componentes das células.

Formato da célula e montagem interna

No interior de uma célula, um separador eletricamente isolante mantém afastados os elétrodos positivos e negativos, que são finos. Estas camadas formam uma estrutura repetitiva que pode ser enrolada ou empilhada.

O enrolamento junta tiras contínuas de elétrodos e separador numa estrutura frequentemente denominada «jelly roll». As células cilíndricas utilizam um enrolamento circular. Um invólucro prismático pode conter enrolamentos achatados ou elétrodos empilhados. Baazouzi e colaboradores: conceção e fabrico de células cilíndricas (2023) No empilhamento em Z, folhas individuais de elétrodo são colocadas alternadamente de cada lado de um separador dobrado em ziguezague. A Samsung SDI descreve o enrolamento e o empilhamento em Z como formas distintas de reunir as mesmas camadas essenciais e salienta a precisão do alinhamento 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, assim, escolhas de projeto distintas. «Prismática» descreve a forma exterior, mas não indica se os elétrodos estão enrolados ou empilhados. O formato também não especifica a química: LFP e NMC designam materiais dos elétrodos, enquanto cilíndrica, prismática e de bolsa descrevem a construção física. PowerCo: primeiras células de Salzgitter e arquitetura Unified Cell (2025)

Células cilíndricas

Uma célula cilíndrica encerra os seus elétrodos enrolados num invólucro metálico rígido. Baazouzi e colaboradores: conceção e fabrico de células cilíndricas (2023) O invólucro proporciona uma forma definida para o manuseamento e a montagem. Quando os cilindros são agrupados, ficam espaços entre as superfícies curvas. Os projetistas de baterias podem aproveitar parte desse espaço para arrefecimento ou outros componentes.

Dimensões e designações

As designações habituais indicam 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 2170, mede cerca de 21 mm por 70 mm. Panasonic: designações de tamanho das células cilíndricas (2021) Uma célula 4680 mede cerca de 46 mm por 80 mm. Baazouzi e colaboradores: conceção e fabrico de células cilíndricas (2023) Estas são dimensões nominais; os valores exatos e as tolerâncias constam da especificação de cada célula.

Patilhas e recolha de corrente

Os revestimentos dos elétrodos assentam em folhas metálicas chamadas coletores de corrente. As ligações elétricas entre estas folhas e os terminais da célula são frequentemente chamadas patilhas. A sua posição determina a distância percorrida pela corrente ao longo da folha e os locais onde a resistência elétrica gera calor.

Uma construção com poucas patilhas localizadas concentra a recolha de corrente nesses pontos. Várias patilhas, ou ligações distribuídas pelos bordos dos elétrodos, encurtam os percursos na folha. Li e colaboradores: conceção das patilhas e arrefecimento de células cilíndricas (2021) As construções descritas como «tabless» continuam a ter ligações elétricas: o termo refere-se à recolha distribuída em vez de algumas patilhas separadas. Baazouzi e colegas documentam ligações através dos bordos expostos das folhas coletoras de corrente. Baazouzi e colaboradores: conceção e fabrico de células cilíndricas (2023)

O calor pode sair pela parede lateral ou pelas extremidades, consoante as superfícies ligadas ao sistema de arrefecimento. Num modelo validado da célula LG M50T 21700, Li e colegas verificaram que a recolha distribuída reduzia a geração de calor e as diferenças de temperatura internas. Nas simulações de descarga a 3C do estudo, uma patilha contínua com arrefecimento lateral por condução obteve o melhor desempenho térmico. Nesse modelo, arrefecer os lados foi mais eficaz do que arrefecer apenas a base. Li e colaboradores: conceção das patilhas e arrefecimento de células cilíndricas (2021)

Células prismáticas

As células prismáticas utilizam um invólucro retangular rígido. Baazouzi e colaboradores: conceção e fabrico de células cilíndricas (2023) A sua forma permite dispor células vizinhas face a face, reservando espaço para isolamento, suporte e a solução de arrefecimento escolhida. A espessura das células, a posição dos terminais e a folga para expansão condicionam a montagem final.

Um invólucro comum também pode acomodar diferentes químicas. No anúncio das primeiras células fabricadas em Salzgitter, em dezembro de 2025, a PowerCo descreveu a Unified Cell como uma arquitetura prismática normalizada. As primeiras células usavam química NMC, estando prevista a introdução posterior de LFP. A versão inicial NMC e a versão LFP prevista mostram como uma arquitetura física comum pode acomodar diferentes materiais de elétrodo. PowerCo: primeiras células de Salzgitter e arquitetura Unified Cell (2025)

Onde se enquadram as células BYD Blade

A Blade da BYD é uma construção prismática longa e estreita, classificada nessa família no estudo do Fraunhofer ISI sobre formatos de células. Fraunhofer ISI: formatos de células de iões de lítio (2022) Na brochura do SEAL de 2024, a BYD descreve um conjunto de células finas e alongadas que utilizam LFP como material do cátodo. BYD Irlanda: brochura SEAL MY2024, Blade Battery

«Blade» identifica a construção da BYD e LFP o material do cátodo. Cell-to-pack e cell-to-body descrevem como as células são integradas na bateria ou na estrutura do veículo.

Células de bolsa

Uma célula de bolsa encerra o conjunto de elétrodos numa película laminada com uma camada de barreira em alumínio e camadas de polímero. Departamento de Energia dos Estados Unidos: relatório sobre produção sustentável e economia circular (2023) Sem um invólucro rígido, depende mais da estrutura envolvente para suporte e proteção mecânicos. Fraunhofer ISI: formatos de células de iões de lítio (2022) Os bordos selados e os condutores de ligação também ocupam espaço em redor do conjunto de elétrodos. LG Energy Solution: montagem de células de bolsa (2023)

A LG Energy Solution descreve um processo de montagem de células de bolsa em que unidades de elétrodos laminadas são empilhadas, os condutores são soldados e o conjunto é introduzido numa bolsa moldada. A célula é preenchida com eletrólito e selada. Uma bolsa temporária recebe o gás produzido durante a formação; esse gás é retirado antes da selagem final. LG Energy Solution: montagem de células de bolsa (2023)

Suporte, dilatação e pressão

Depois de retirado o gás de formação, a espessura da célula continua a variar durante a utilização. Os elétrodos mudam de volume ao carregar e descarregar a célula. Algumas variações de espessura são reversíveis com o estado de carga, enquanto o envelhecimento pode provocar expansão permanente. A estrutura envolvente tem de acomodar estas alterações e manter o contacto previsto entre camadas e superfícies de arrefecimento.

A compressão externa é uma forma de controlar esse contacto. A pressão necessária e a sua evolução quando a célula se expande dependem da célula e da sua instalação. Uma pressão superior não é automaticamente melhor. Em ensaios com células de bolsa comerciais NMC622/grafite de 60 Ah, Michelini e colegas verificaram que a pré-carga mecânica mais elevada testada produzia menos espessamento permanente, mas uma perda de capacidade mais rápida. Os resultados apoiam a definição e validação de um intervalo de pressão para a célula concreta, em vez de um único requisito de compressão para todas as células de bolsa. Michelini e colaboradores: expansão de células de bolsa sob diferentes pré-cargas mecânicas (2023)

Arrefecimento de uma célula plana

As faces largas de uma célula de bolsa proporcionam uma grande área de contacto para arrefecimento. Contudo, o calor propaga-se de forma diferente ao longo das camadas de elétrodos e através delas. Numa célula de bolsa LFP comercial de 20 Ah totalmente carregada, Lin e colegas mediram 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. Esta dependência da direção ajuda a explicar a importância da espessura, da área de contacto e da localização das superfícies arrefecidas. Lin e colaboradores: condutividade térmica direcional em células de bolsa (2022)

O arrefecimento através das patilhas oferece outra via térmica. Em ensaios com células de bolsa NMC de 5 Ah, Hunt e colegas observaram que o arrefecimento superficial criava diferenças de temperatura entre camadas de elétrodos, originando uma distribuição desigual da corrente. Durante ciclos com descarga a 6C e carga a 2C, a célula arrefecida pela superfície perdia capacidade utilizável sob carga mais depressa do que a arrefecida pelas patilhas, embora as capacidades medidas a baixa taxa de descarga diminuíssem de forma semelhante. Cada série de ensaios usou uma célula por configuração de arrefecimento; duas séries em cicladores de baterias diferentes apresentaram resultados comparáveis. Hunt e colaboradores: arrefecimento de células de bolsa pela superfície e pelas patilhas (2016) Os circuitos de líquido de arrefecimento e o controlo de temperatura do veículo são abordados em Gestão térmica da bateria.

O que muda quando as células ficam maiores?

Uma célula maior pode armazenar mais energia e reduzir o número de células necessárias para uma determinada capacidade da bateria. Também altera a recolha de corrente, o fluxo térmico e o número de ligações externas.

Mais energia por célula e maior densidade

Em setembro de 2024, a Panasonic descreveu a sua célula 4680 como tendo cinco vezes a capacidade da célula 2170. Panasonic Energy: desenvolvimento da 4680 e comparação de capacidade (2024) Com as dimensões nominais acima, a EVKX calcula uma relação de volumes cilíndricos de (46² × 80) / (21² × 70), ou cerca de 5,5 vezes. O aumento de capacidade acompanha, portanto, um aumento considerável do tamanho da célula.

O anúncio do BMW iX5 de junho de 2026 fornece outro exemplo: células de 46 mm de diâmetro e 120 mm de altura, com a mesma química das células de 95 mm de altura do iX3. A BMW atribuiu à maior altura quase 30% mais energia utilizável por célula. BMW: anúncio do iX5 e dimensões das células cilíndricas (2026) Com o mesmo diâmetro, o volume nominal aumenta na relação 120 / 95, ou cerca de 26%.

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

Ligações e monitorização da tensão

Menos células podem reduzir o número de ligações externas. A necessidade de monitorização da tensão depende, porém, da configuração elétrica. As células diretamente ligadas em paralelo partilham a mesma tensão, pelo que o sistema de gestão da bateria mede normalmente esse grupo paralelo como uma posição na cadeia em série.

Substituir várias células pequenas em paralelo por uma maior pode, assim, reduzir o número físico de células sem reduzir o número de tensões monitorizadas. Numa resposta no fórum de apoio TI E2E, o engenheiro da Texas Instruments Matt Sunna explica que o circuito de monitorização trata as células diretamente ligadas em paralelo como uma célula maior. Resposta no fórum de apoio TI E2E: monitorização de grupos de células em paralelo A posição dos sensores de temperatura é uma decisão de projeto independente.

Percursos elétricos, térmicos e iónicos

Aumentar as dimensões de uma célula pode alongar os percursos nas folhas coletoras de corrente ou entre o interior da célula e uma superfície de arrefecimento. A posição das patilhas e a geometria de arrefecimento influenciam esses percursos elétricos e térmicos.

O transporte de iões de lítio ocorre localmente através dos poros preenchidos com eletrólito e do separador, bem como no interior das partículas de material ativo. Tornar uma célula mais alta ou mais larga não alonga, por si só, esses percursos. Estes são determinados pela espessura do revestimento dos elétrodos, pela estrutura dos poros e pelas dimensões das partículas. Um invólucro maior e um revestimento mais espesso são escolhas distintas; Química e componentes das células explica os compromissos relativos aos elétrodos.

Proteção ao nível da célula

Os invólucros rígidos cilíndricos e prismáticos podem incorporar dispositivos de alívio de pressão. Algumas construções cilíndricas também incluem um dispositivo de interrupção de corrente (CID) acionado pela pressão, que corta a ligação elétrica, e um elemento com coeficiente de temperatura positivo (PTC), cuja resistência aumenta ao aquecer. As células de bolsa podem libertar gás através de uma união no invólucro termosselado. Um estudo apresentado no encontro da NASA sobre baterias de 2021 descreve estes mecanismos e testa células cilíndricas sem elementos PTC, mostrando por que é necessário verificar os dispositivos presentes na construção de cada célula. Chung e colaboradores, workshop de baterias da NASA: dispositivos de segurança das células (2021)

Comparação dos três formatos

Conjunto da bateria e configuração explica como as células são ligadas, arrefecidas e suportadas numa bateria de veículo; Segurança da bateria aborda a contenção de falhas.