Formatos de células

As células de baterias para veículos elétricos são produzidas principalmente nos formatos cilíndrico, prismático e pouch. O formato não identifica a química nem determina a qualidade da célula, mas altera a forma como os eletrodos são montados e como a célula precisa ser resfriada, sustentada, conectada e acondicionada.

Formato, tamanho e construção interna

Três escolhas diferentes são frequentemente confundidas nas discussões sobre baterias:

A química da célula descreve os materiais eletroquímicos, como NMC, NCA, LFP, LMFP ou íons de sódio.
O formato da célula descreve o invólucro físico: cilíndrico, prismático ou pouch.
A arquitetura da bateria descreve como as células são conectadas, resfriadas, contidas, protegidas e integradas ao veículo.

Essas escolhas influenciam umas às outras, mas nenhuma determina as demais. Uma célula prismática pode usar química LFP ou NMC. Células cilíndricas podem ser instaladas em módulos ou diretamente em uma estrutura cell-to-pack. Células pouch podem ser dispostas em módulos convencionais ou em grupos de células integrados e maiores.

O Departamento de Energia dos EUA identifica os formatos cilíndrico, prismático e pouch como as principais formas de células de íons de lítio e observa que seus invólucros e estruturas internas de eletrodos e separadores criam diferentes características de fabricação e desmontagem. (Departamento de Energia dos EUA)

Eletrodos enrolados

Um conjunto de eletrodos contém camadas alternadas de eletrodo positivo, separador e eletrodo negativo.

Em uma célula enrolada, longas folhas de eletrodo e separador são enroladas em uma espiral, comumente chamada de jelly roll. As células cilíndricas usam um jelly roll redondo. Uma célula prismática pode usar um rolo enrolado e achatado que cabe em um invólucro retangular.

O enrolamento é compatível com a produção contínua e em alta velocidade porque os fabricantes conseguem processar longos rolos de material de eletrodo revestido. Ainda assim, o alinhamento precisa ser controlado com precisão: material do separador danificado, rugas ou bordas dos eletrodos fora de posição podem criar defeitos internos.

Um jelly roll achatado não preenche perfeitamente um invólucro retangular. Suas extremidades curvas também ficam sujeitas a pressões, caminhos de corrente e movimentos mecânicos diferentes dos que ocorrem nas seções largas e retas.

Eletrodos empilhados

Em uma célula empilhada, folhas individuais de eletrodos ou unidades laminadas são colocadas em camadas alternadas, com o material do separador entre elas.

Outra abordagem é o empilhamento em Z, no qual um separador contínuo é dobrado para a frente e para trás enquanto folhas de eletrodos positivo e negativo são inseridas entre as dobras. A pilha retangular resultante pode aproveitar com eficiência o interior de um invólucro prismático ou pouch porque não tem extremidades curvas nos eletrodos.

O empilhamento exige corte, posicionamento, inspeção e manuseio precisos de muitas camadas. O guia de fabricação da Samsung SDI descreve o enrolamento como o processo habitual para suas células cilíndricas e o empilhamento em Z como o processo usado nas prismáticas. (Samsung SDI)

O formato externo não revela qual processo interno foi usado. Células prismáticas e pouch podem ser enroladas, empilhadas, dobradas ou montadas com uma combinação desses métodos específica do fornecedor.

O invólucro é uma parte ativa do projeto

O invólucro de uma célula faz mais do que manter o eletrólito em seu interior. Dependendo do formato, ele pode:

Manter pressão mecânica sobre o conjunto de eletrodos
Conduzir calor em direção a uma superfície de resfriamento
Proteger o separador e as bordas dos eletrodos contra impactos
Conduzir um potencial elétrico como parte do projeto dos terminais
Oferecer um caminho controlado para a liberação de gases
Impedir a entrada de umidade e a saída do eletrólito
Transferir cargas ao módulo ou à bateria ao redor

Os invólucros rígidos das células cilíndricas e prismáticas fornecem grande parte do suporte por conta própria. Uma célula pouch flexível depende muito mais da estrutura ao redor.

O tamanho importa tanto quanto a forma da célula

Duas células do mesmo formato podem apresentar grandes diferenças de capacidade, energia, potência, geração de calor e comportamento mecânico.

O uso de muitas células pequenas oferece:

Menos energia em cada célula individual
Maior área externa em relação à energia armazenada
Mais caminhos elétricos em paralelo
Mais componentes repetidos, soldas e possíveis pontos de falha

O uso de menos células grandes oferece:

Menos terminais, interconexões, soldas e pontos de monitoramento
Menos material repetido de invólucro para uma determinada capacidade da bateria
Mais energia armazenada em cada célula
Caminhos internos mais longos para elétrons, íons e calor
Consequências maiores se uma célula desenvolver uma falha grave

Portanto, o tamanho da célula é um espectro contínuo, e não uma categoria de formato separada.

Células cilíndricas

Uma célula cilíndrica coloca um rolo de eletrodos dentro de um invólucro metálico rígido e redondo. Sua parede circular sustenta o jelly roll de maneira uniforme e resiste à pressão interna sem exigir grandes painéis planos.

As células cilíndricas se beneficiam de métodos de produção altamente automatizados, desenvolvidos em aplicações de consumo, industriais e automotivas. O formato regular facilita o manuseio, a rotação, a inspeção e o transporte pelo equipamento de fabricação.

As células redondas deixam espaços quando dispostas em uma bateria retangular. Esses espaços reduzem a eficiência teórica de acondicionamento, mas nem sempre são desperdiçados. Os projetistas podem usá-los para:

Canais de líquido de resfriamento
Isolamento elétrico
Adesivo estrutural ou espuma
Suportes das células
Espaço para expansão
Barreiras destinadas a retardar a propagação térmica

O resultado da bateria depende da eficiência com que essas funções aproveitam o espaço disponível.

Nomes dos tamanhos cilíndricos

As designações cilíndricas normalmente descrevem o diâmetro e a altura aproximados da célula em milímetros:

18650 ou 1865: aproximadamente 18 mm de diâmetro e 65 mm de altura
2170 ou 21700: aproximadamente 21 mm de diâmetro e 70 mm de altura
4680: aproximadamente 46 mm de diâmetro e 80 mm de altura
4695: aproximadamente 46 mm de diâmetro e 95 mm de altura
46120: aproximadamente 46 mm de diâmetro e 120 mm de altura

As convenções de nomenclatura não são perfeitamente consistentes. Alguns fabricantes usam cinco dígitos, enquanto outros omitem o zero final. A designação descreve o envelope nominal, não a química, capacidade, disposição dos terminais nem construção interna.

A adoção de um cilindro maior reduz o número de células necessário para uma determinada capacidade da bateria. A Panasonic afirma que sua célula 4680 tem cerca de cinco vezes a capacidade da 2170. Essa é principalmente uma comparação de capacidade por célula: a 4680 é fisicamente muito maior, portanto isso não significa cinco vezes a densidade energética. (Panasonic Energy)

Células maiores criam suas próprias exigências de engenharia. O calor precisa percorrer uma distância maior desde o centro do jelly roll, a corrente precisa ser coletada em eletrodos maiores e cada célula contém mais energia. Tolerâncias de fabricação, resfriamento, ventilação e proteção contra propagação se tornam cada vez mais importantes.

O sistema Gen6 da BMW demonstra como células com o mesmo diâmetro podem ser adaptadas a diferentes veículos. O BMW iX3 usa células de 46 mm com 95 mm de altura, enquanto o BMW iX5 usa células com o mesmo diâmetro e química, mas com 120 mm de altura. A BMW afirma que a célula mais alta armazena quase 30% mais energia utilizável por célula. O aumento decorre do maior volume da célula; não é um aumento de 30% na densidade energética. (BMW Group)

Abas e coleta de corrente

As lâminas revestidas dos eletrodos dentro de uma célula cilíndrica precisam se conectar aos terminais externos.

Um projeto tradicional usa uma ou mais abas metálicas individuais soldadas aos coletores de corrente positivo e negativo. Os elétrons provenientes de partes distantes do eletrodo precisam percorrer a lâmina fina antes de chegar a uma aba. Esse caminho cria resistência e pode produzir distribuições desiguais de corrente e temperatura.

Células cilíndricas grandes e modernas podem usar:

Várias abas distribuídas ao longo do eletrodo
Muitas pequenas seções de abas
Uma conexão contínua na borda de grande parte do jelly roll
Conexões em toda a área entre a borda do coletor e o conjunto do terminal

O termo tabless é comumente usado para projetos de abas contínuas, mas a conexão elétrica não desapareceu. Em vez disso, uma parte ampla da borda do coletor de corrente atua como conexão. Pesquisas sobre coleta de corrente em células cilíndricas mostram que abas adicionais ou mais bem distribuídas podem reduzir a elevação da temperatura e os gradientes térmicos. (Journal of Power Sources)

O benefício depende de corte, dobra, soldagem e contato elétrico consistentes ao redor do rolo de eletrodos. Uma geometria inteligente, mas difícil de fabricar de modo repetível, pode perder sua vantagem teórica.

Resfriamento de células cilíndricas

O calor pode sair de uma célula cilíndrica por:

Parede lateral curva
Base
Extremidade dos terminais
Material condutor colocado entre células vizinhas

O resfriamento lateral oferece uma grande área de contato, mas exige estruturas de resfriamento entre as fileiras de células. O resfriamento pela base ou pelos terminais pode simplificar a montagem da bateria, embora o calor precise então percorrer a altura do jelly roll.

O rolo de eletrodos é termicamente anisotrópico: o calor se desloca com mais facilidade em algumas direções do que em outras. Portanto, o melhor método de resfriamento depende da altura e do diâmetro da célula, do projeto das abas, da química, da demanda de potência e da diferença de temperatura que a bateria consegue tolerar.

Pontos fortes das células cilíndricas

Invólucro rígido com resistência eficiente à pressão
Produção madura e altamente automatizada
Geometria consistente para manuseio e inspeção
Capacidade flexível da bateria por meio de grupos de células em paralelo
Grande área superficial em relação à energia quando são usadas células menores
Famílias de tamanhos e equipamentos de fabricação consolidados

Limitações das células cilíndricas

Células redondas não preenchem completamente um volume retangular
Baterias com células pequenas exigem muitas soldas e interconexões
Cilindros grandes contêm mais energia por possível falha
A bateria precisa fornecer resfriamento consistente a muitas células
A orientação das células e a posição dos terminais limitam a disposição da bateria
A temperatura do núcleo interno não pode ser inferida perfeitamente por uma única medição externa

Células prismáticas

Uma célula prismática usa um invólucro retangular rígido, normalmente feito de alumínio ou aço. Seu conjunto de eletrodos pode ser um rolo enrolado e achatado ou uma pilha de camadas individuais.

O formato retangular consegue aproveitar com eficiência a área do assoalho do veículo e permite construir uma bateria com relativamente poucas células grandes. Menos células reduzem a quantidade de terminais, uniões de barramentos, soldas e pontos de monitoramento de tensão.

As faces largas podem ser posicionadas contra placas de resfriamento ou estruturas de compressão. O invólucro metálico também oferece proteção contra impactos e uma posição definida para terminais, vedações, válvula de pressão e, em alguns casos, um mecanismo de interrupção de corrente ou fusível.

As paredes planas exigem controle mecânico cuidadoso. Os materiais dos eletrodos mudam de dimensão com o estado de carga, a temperatura e a idade, enquanto reações secundárias podem gerar gases. A bateria precisa permitir o movimento normal e, ao mesmo tempo, impedir estufamento excessivo, perda de contato com o sistema de resfriamento ou pressão local prejudicial.

Células prismáticas grandes também podem desenvolver gradientes internos de temperatura e estado de carga. Resfriar uma única face ou apenas a base não garante que todas as partes da pilha de eletrodos permaneçam na mesma temperatura.

Plataformas padronizadas e células específicas do fornecedor

Ao contrário das cilíndricas, as células prismáticas não seguem um conjunto amplamente utilizado de dimensões externas. Sua altura, largura, espessura, posição dos terminais, projeto da válvula e capacidade costumam ser adaptados a um fabricante ou plataforma de veículo.

Isso pode melhorar a integração, mas reduz a intercambialidade. Duas células prismáticas com química e capacidade semelhantes podem não caber na mesma bateria nem usar as mesmas interfaces de compressão, resfriamento e conexão elétrica.

A Unified Cell do Volkswagen Group, desenvolvida pela PowerCo, é um exemplo de padronização dentro de um grupo automotivo. Trata-se de uma plataforma prismática destinada a comportar diferentes fornecedores, veículos e químicas de eletrodos. A PowerCo iniciou a produção com uma versão NMC e afirma que variantes LFP virão depois. (Volkswagen Group)

A Unified Cell não é uma nova química nem torna todas as versões eletroquimicamente idênticas. Os materiais e a carga dos eletrodos, a capacidade, a faixa de tensão, a capacidade de carregamento e as exigências térmicas ainda podem variar dentro de um conceito externo comum.

Células prismáticas longas e do tipo blade

Uma célula do tipo blade é uma célula prismática longa e estreita. Não é um quarto formato fundamental.

A Blade Battery da BYD usa células LFP longas e planas, colocadas diretamente em um conjunto sem módulos intermediários convencionais.

A BYD descreve cada célula como um elemento que contribui para a estrutura da bateria. O formato longo permite que uma célula atravesse grande parte do invólucro, reduz a quantidade de conexões elétricas repetidas e oferece superfícies amplas para a transferência de calor. (BYD)

Muitos benefícios atribuídos a uma célula blade resultam da relação entre suas dimensões e a bateria construída ao redor. Uma célula prismática longa não produz automaticamente alta densidade energética da bateria, carregamento rápido nem forte desempenho em colisões.

Suas limitações também decorrem dessa integração estreita:

O comprimento da célula e a largura da bateria precisam ser projetados em conjunto
O alinhamento e as tolerâncias dimensionais se aplicam a um componente longo
A temperatura e a pressão precisam permanecer controladas ao longo de toda a célula
Uma única célula contém uma quantidade substancial de energia
A substituição de uma célula individual pode ser difícil em uma estrutura altamente integrada

O comportamento térmico da Blade Battery também reflete sua química LFP, o projeto dos eletrodos, o estado de carga e o sistema completo da BYD. O formato da célula não deve receber o mérito por características relacionadas à química.

Pontos fortes das células prismáticas

Aproveitamento eficiente do espaço retangular da bateria
Menos células e conexões elétricas
Invólucro rígido e componentes definidos de ventilação
Superfícies amplas para resfriamento e compressão
Dimensões que podem ser adaptadas a uma plataforma de veículo
Boa compatibilidade com baterias sem módulos

Limitações das células prismáticas

Grandes superfícies planas exigem expansão e compressão controladas
Gradientes térmicos internos podem surgir em uma célula grande
Cada célula contém uma quantidade considerável de energia
Dimensões e interfaces costumam ser específicas do fornecedor
Uma célula projetada para uma plataforma pode ser difícil de reutilizar em outra
Células grandes tornam a bateria mais sensível à consistência de cada unidade

Células pouch

Uma célula pouch usa um invólucro laminado flexível em vez de um recipiente metálico rígido. O filme normalmente combina uma camada de barreira de alumínio com camadas de polímero que oferecem isolamento elétrico, proteção mecânica e superfícies seláveis por calor.

A pouch contém um conjunto de eletrodos enrolado, empilhado, laminado ou dobrado. Células pouch automotivas grandes frequentemente usam projetos empilhados porque as camadas retangulares aproveitam o invólucro com eficiência.

Durante o processo de montagem das células pouch da LG Energy Solution, unidades laminadas de eletrodos são empilhadas, os terminais são soldados à pilha e o conjunto é inserido em uma pouch moldada. O eletrólito é adicionado por uma bolsa temporária de gás. O gás produzido durante os primeiros ciclos de formação é removido antes da vedação final da pouch. (LG Energy Solution)

O invólucro laminado acrescenta pouca massa, mas não contém os eletrodos como uma lata rígida. Uma célula pouch precisa ser tratada como parte de um sistema mecânico que inclui:

Placas ou estruturas de compressão
Almofadas flexíveis que acomodam a expansão
Proteção para as bordas da célula e vedações dos terminais
Uma interface controlada de resfriamento
Barreiras entre células adjacentes
Suporte que impede a flexão durante a montagem e a operação do veículo

As células pouch normalmente mudam ligeiramente de espessura ao longo dos ciclos. Pode ocorrer estufamento adicional com o envelhecimento ou se reações secundárias gerarem gases. A compressão precisa ser forte e uniforme o suficiente para manter o contato, mas não tão alta ou desigual a ponto de danificar a pilha de eletrodos.

Resfriamento de células pouch

As faces largas de uma célula pouch oferecem uma grande área potencial de resfriamento. Placas podem encostar em uma ou nas duas faces, ou a bateria pode retirar calor por uma borda ou pelos terminais dos eletrodos.

Um bom contato com as faces é essencial. Se o estufamento, a variação de tolerância ou a compressão inadequada criar uma folga, a resistência térmica local aumenta. As almofadas e os materiais de interface térmica precisam manter o contato enquanto permitem as alterações dimensionais normais.

O calor se desloca com mais facilidade ao longo das lâminas metálicas dos eletrodos do que diretamente através das muitas camadas de eletrodos e separadores. Portanto, uma temperatura superficial pode ocultar uma região interna mais quente, especialmente em uma célula grande ou espessa.

Pontos fortes das células pouch

Baixa massa do invólucro
Aproveitamento eficiente do volume interno da célula
Largura, altura e espessura flexíveis
Superfícies amplas que podem ser acopladas às placas de resfriamento
Menos células do que baterias que usam formatos cilíndricos pequenos
Compatibilidade com a construção de eletrodos empilhados

Limitações das células pouch

A bateria precisa fornecer a maior parte do suporte mecânico
Compressão e espaço para expansão são essenciais
Bordas laminadas e vedações dos terminais precisam de proteção cuidadosa
Células flexíveis grandes são exigentes para manusear e montar
O estufamento pode alterar o contato de resfriamento e a pressão mecânica
Estruturas, almofadas e proteções compensam parte da economia de peso no nível da célula

Como o formato da célula muda a engenharia da bateria

O formato da célula não funciona isoladamente. Seu valor depende de como a arquitetura da bateria aproveita seus pontos fortes e compensa suas limitações.

Quantidade de células e conexões elétricas

Uma bateria que usa milhares de pequenas células cilíndricas precisa de muitas soldas e caminhos de corrente em paralelo. Uma que usa grandes células prismáticas ou pouch precisa de muito menos conexões, mas cada conexão conduz mais corrente e cada célula representa uma parcela maior da capacidade.

Menos células podem simplificar o monitoramento e a montagem. Mais células podem oferecer incrementos de capacidade menores e mais caminhos em paralelo. Nenhuma estratégia garante confiabilidade: a qualidade de produção, o projeto das interconexões, a detecção de falhas e a proteção elétrica determinam o resultado.

Caminhos de resfriamento

As células cilíndricas oferecem superfícies curvas e várias direções possíveis de resfriamento. Células prismáticas e pouch oferecem superfícies largas e planas, mas podem desenvolver gradientes ao longo da espessura.

O sistema de resfriamento precisa corresponder a:

Onde o calor é gerado dentro da célula
Com que facilidade ele atravessa o conjunto de eletrodos
Distância da região interna mais quente até o líquido de resfriamento
Potência de carregamento e descarga
Diferença de temperatura aceitável entre as células
Expansão da célula durante sua vida útil

É por isso que o mesmo formato pode apresentar comportamentos muito diferentes em dois veículos.

Compressão e suporte estrutural

As células pouch exigem compressão externa. Células prismáticas grandes também precisam de contenção controlada, embora seus invólucros ofereçam mais suporte. As latas cilíndricas são mais autossustentadas, mas ainda precisam de posicionamento preciso e proteção contra vibrações e impactos.

A estrutura ao redor acrescenta massa e ocupa espaço. Portanto, a densidade energética no nível da célula não deve ser confundida com a densidade no nível da bateria.

Energia de falha e propagação

Uma célula maior contém mais energia, portanto uma falha grave pode liberar mais calor e gases em um único ponto. Uma célula menor contém menos energia, mas a bateria tem mais células vizinhas e mais caminhos possíveis de propagação.

O formato afeta a direção da ventilação, o espaçamento, as barreiras e a transferência de calor, mas não determina sozinho a segurança. Química, estado de carga, qualidade da célula, dispositivos de proteção, resfriamento, estrutura contra colisões, gerenciamento de gases e testes de propagação também são importantes.

Cell-to-pack não é um formato de célula

Cell-to-pack significa que as células são integradas à bateria sem módulos convencionais independentes. Células cilíndricas, prismáticas e pouch podem ser usadas em projetos sem módulos.

Eliminar os invólucros dos módulos e estruturas duplicadas pode melhorar o aproveitamento do espaço e a eficiência de massa. Isso também transfere mais responsabilidades ao invólucro da bateria, incluindo:

Posicionamento e contenção das células
Isolamento elétrico
Contato de resfriamento
Gerenciamento das cargas de colisão
Gerenciamento de incêndio e gases
Controle das tolerâncias de fabricação
Estratégia de manutenção e reparo

O resultado depende do projeto completo, não apenas da eliminação dos módulos.

Fabricação, reparo e reciclagem

Células pequenas padronizadas podem simplificar a produção das células e criar uma montagem complexa da bateria. Células grandes e específicas da plataforma podem simplificar a montagem da bateria, mas exigem ferramentas e manuseio próprios para sua fabricação.

Baterias altamente integradas podem reduzir a quantidade de peças e o peso, mas adesivos, espumas estruturais, células longas e instalação direta cell-to-pack podem dificultar o diagnóstico, a desmontagem e a substituição de células individuais.

Os processos de reciclagem também encontram diferentes invólucros, adesivos, materiais de resfriamento e rotas de desmontagem. O Departamento de Energia observa que o invólucro e o conjunto de eletrodos influenciam a facilidade com que as células podem ser abertas e processadas. (Departamento de Energia dos EUA)

O que o formato significa para o comprador

O formato é útil para compreender decisões de engenharia, mas não é um ranking de qualidade.

Um veículo não:

Carrega automaticamente mais rápido porque usa células cilíndricas
Percorre automaticamente uma distância maior porque usa células pouch
Dura automaticamente mais porque usa células prismáticas
Resiste automaticamente à propagação térmica porque usa células do tipo blade
Tem automaticamente alta densidade energética da bateria porque usa construção cell-to-pack

Para um veículo elétrico específico, as perguntas mais úteis são:

Quais são as capacidades bruta e utilizável da bateria?
Qual é a eficiência do veículo?
Como é a curva de carregamento?
A bateria pode ser pré-condicionada antes do carregamento rápido?
Como o carregamento muda em temperaturas baixas ou altas?
Como o sistema de gerenciamento térmico resfria e aquece as células?
Quais termos de degradação e garantia se aplicam?
Como o fabricante testou a propagação entre células?
É possível diagnosticar e substituir módulos ou grupos de células individuais?
O reparo exige a substituição da bateria completa?

O formato ajuda a explicar por que um fabricante escolheu determinada estratégia de resfriamento, estrutura, fabricação ou manutenção. O veículo pronto determina se essa estratégia funciona bem.

Para conhecer os materiais de cada formato, consulte Química e componentes das células. As conexões elétricas e a hierarquia estrutural são abordadas em Bateria e configuração, enquanto os sistemas de resfriamento são explicados em Gerenciamento térmico da bateria.