Un equipo de la Cátedra de Ingeniería de Producción de Componentes de Movilidad Eléctrica (PEM) de la Universidad RWTH de Aachen ha desmontado las baterías de tracción actuales de Tesla y BYD y las ha comparado entre sí, informando de "resultados sorprendentes" con cifras interesantes y hasta ahora desconocidas.
“Existen pocos datos y análisis”
En cuanto a la motivación del análisis, el PEM señala que, en general, existen pocos datos y análisis detallados sobre las baterías de vehículos eléctricos modernos. “Ambas empresas han revelado muy pocos datos sobre sus baterías, por lo que la estructura mecánica de las celdas y la mayoría de sus propiedades han permanecido ocultas hasta la fecha”, afirma el director del PEM, el profesor Achim Kampker, sobre la elección de los dos sujetos de prueba, Tesla y BYD.
Los resultados, publicados el 6 de marzo en la revista Cell Reports Physical Science, muestran, entre otras cosas, que las celdas 4680 de Tesla se centran en una alta densidad energética, mientras que la eficiencia de volumen y los materiales más rentables son más importantes para la celda de pala de BYD. Según el estudio, la batería de BYD es más eficiente porque permite una gestión térmica más sencilla.
Se llevó a cabo un análisis completo
Para el análisis, los investigadores de RWTH examinaron la construcción mecánica, las dimensiones y las propiedades eléctricas y térmicas de las celdas, así como la composición exacta de los electrodos. También se determinaron los costos de los materiales de las celdas y los procesos de ensamblaje. Para mayor claridad: la celda Tesla, adquirida por el presidente a Munro & Associates, proviene del desmontaje de un Tesla Model Y 2022 con la batería estructural. Debido a su antigüedad, existían ligeras incertidumbres sobre el estado de salud (SoH) exacto de la celda. La celda BYD Blade se importó en línea de un distribuidor chino con un SoH del 100 % (en 2023).
Lo que el presidente describe como "resultados sorprendentes" es explicado por el profesor Heiner Heimes, miembro principal del PEM: "Nos sorprendió la ausencia de silicio en los ánodos de ambas baterías, especialmente en la celda de Tesla, ya que el silicio se considera ampliamente en la investigación como un material clave para aumentar la densidad energética". El análisis también proporciona cifras concretas sobre la densidad energética: se determinaron 160 Wh/kg y 355,26 Wh/l para la celda LFP de BYD. La celda cilíndrica 4680 de Tesla con química NMC811 alcanza así 241,01 Wh/kg y 643,3 Wh/l a nivel de celda. La densidad energética volumétrica, en particular, demuestra claramente el enfoque de Tesla.
Con algunas similitudes y muchas diferencias
La celda de cuchillas de BYD ya se caracteriza por su tamaño especial y homónimo, ya que las celdas con forma de cuchilla se extienden por todo el ancho del paquete de baterías: son celdas prismáticas. En concreto, la compañía con sede en Aquisgrán medía 90 milímetros de alto, 14 milímetros de ancho y unos impresionantes 965 milímetros de largo, casi un metro. En Tesla, el tamaño de las celdas cilíndricas ha aumentado con los años: de las 18650 celdas del primer Model S a las 2170 celdas del Model 3 y el Model Y, y finalmente a las 4680 celdas con un diámetro de 46 milímetros y una altura de 80 milímetros. “En los últimos años, se ha observado una tendencia hacia celdas de mayores dimensiones, ya que esto aumenta el contenido energético por celda producida y reduce la complejidad de la integración a nivel de sistema”, afirma el estudio.
Otra similitud entre las dos baterías, que los expertos en baterías de Aquisgrán no esperaban, es el ensamblaje de las celdas. Por ejemplo, sus delgadas láminas de electrodos se unieron mediante el aún poco común método de soldadura láser, en lugar del método de soldadura ultrasónica, comúnmente utilizado en el mercado.
Sin embargo, las diferencias superan a las similitudes; como era de esperar, se habla de tipos de baterías "altamente innovadoras" y "con un diseño fundamentalmente diferente". Según el informe, existen "diferencias significativas en la velocidad a la que se pueden cargar o descargar en relación con su capacidad máxima". Según el estudio, la celda de cuchillas de BYD se basa en un método especial en el que los ánodos y los cátodos en la pila de electrodos se fijan en una posición ideal entre sí mediante laminación de los bordes separadores. La batería de Tesla, por su parte, utiliza un nuevo tipo de aglutinante que mantiene unidos los materiales activos de los electrodos. Y: "Aunque la celda de BYD es mucho más grande que la de Tesla, la proporción de componentes pasivos de la celda, como colectores de corriente, carcasas y barras colectoras, es similar", dice Kampker.
Los sistemas de seguridad de las carcasas también son diferentes. A diferencia de las celdas 18650 y 2170 de Tesla, mencionadas anteriormente, que se instalan horizontalmente en el paquete, las celdas 4680 se instalan en posición vertical. Esto significa que la celda se ventila hacia abajo en caso de fallo. La celda blade, en cambio, se ventila lateralmente (al igual que las celdas Tesla montadas horizontalmente). En ambos casos, los gases calientes se ventilan fuera del habitáculo, pero en el caso de la celda 4680, también se ventilan lejos del sistema de contacto eléctrico. Dependiendo de la posición de la celda en el paquete, esta podría dañarse si se ventila lateralmente. Mientras que Tesla utiliza todo el contenedor de la celda como polo negativo, BYD aísla ambos polos del contenedor.
¿Y el coste? La batería de BYD es más barata
Para determinar el importante factor de coste, se analizó y pesó por separado cada componente de las celdas. Con una proporción similar de material activo, cercana al 60%, ambas celdas presentan una diferencia de peso: la carcasa de acero de la celda de Tesla pesa más que el contenedor de aluminio de BYD, pero esta ventaja de peso se pierde debido al elevado peso de la película de sustrato de la celda de álabe. Los costes de material se estimaron utilizando precios de materiales de libre acceso a agosto de 2024. Como resultado, la celda de BYD es más de diez euros más barata por kilovatio hora al nivel de precio actual: 25 €/kWh, frente a los más de 35 €/kWh de Tesla. La diferencia se debe principalmente al distinto material del cátodo; la celda de BYD es incluso ligeramente más cara por el ánodo y el cobre utilizados.
El estudio se elaboró con el apoyo de Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) y el Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos (IKTS) en el marco del proyecto de investigación FoFeBat2 y está disponible para descarga gratuita. En él se pueden consultar más detalles, por ejemplo, sobre la disposición de los electrodos en las celdas, el contacto y detalles sobre los propios electrodos (como el espesor de los recubrimientos), así como la secuencia prevista del proceso durante la producción.
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Fuente: rwth-aachen.de, cell.com (estudio en formato PDF)
