Un ingeniero mecánico, especialista en sistemas de transferencia de calor, ha analizado la nueva celda de batería 4680 de Tesla. En su opinión, la reducción de la resistencia interna funciona como un sistema de refrigeración integrado en el propio cuerpo de la batería, prescindiendo de los habituales serpentines que la recorren. Esta característica permite que sea posible prescindir de los módulos en los que estas se agrupan dentro de la batería.
Una vez más hacemos referencia al pasado 22 de septiembre, y a la celebración del ‘Battery Day’ donde Tesla se presentó la nueva celda 4680. Allí, Elon Musk y Drew Baglino, vicepresidente senior de ingeniería de propulsión y energía en Tesla, explicaron las novedades tecnológicas en las que habían trabajado, enfocándolas sobre todos en mostrar los beneficios funcionales y económicos que propiciaban. Sin embargo, las explicaciones técnicas brillaron por su ausencia.
Serpentín con líquido refrigerante del sistema de enfriamiento de las baterías del Tesla Model 3 y del Tesla Model Y. Se sitúa pegada directamente a las celdas reduciendo el espacio que ocupan. Foto: Tesla.
Al igual que no se explicó técnicamente como es el nuevo diseño tabless de estas celdas, que cambia la pestaña conectora única que une los electrodos con la carcasa por muchas de ellas, lo que facilita el movimiento de los electrones, tampoco se ha explicado cómo afecta este hecho al sistema de refrigeración. En el Model 3 y en el Model Y, que emplean celdas 2170 este se ha llevado a su extremo de funcionamiento, y esa ha sido una de las razones que ha llevado al fabricante californiano a investigar y diseñar y anunciar estas nuevas celdas.
El nuevo diseño de las celdas 4680 da como resultado un cilindro mucho más grande. Las celdas 2170 emplean un serpentín lleno de líquido que recorre toda la batería extrayendo el calor desde las dos caras planas de las celdas (que son cilíndricas). Este sistema consume espacio dentro del paquete, lo que limita su eficiencia volumétrica y reduce el material activo que se puede incluir en ella.
A medida que aumenta el diámetro de la celda, el calor generado en su interior se eleva mucho más rápido de lo que lo hace el área de la superficie de la base del cilindro, por lo que la capacidad para eliminarlo a través de los laterales se reduce. Por lo tanto este sistema no sirve para el nuevo diseño y era necesario reinventar todo el proceso.
El nuevo diseño de la batería tabless (con múltiples conectores electrodo-carcasa) reduce la resistencia eléctrica interna. Foto: Tesla.
Para solucionar este problema, en las celdas 2170, Tesla pegó literalmente el serpentín de enfriamiento directamente al costado de la celda. La consecuencia de ello fue que para lograr que funcionase correctamente, tuvo que traspasar una larga curva de aprendizaje, lo que supuso una enorme tasa de rechazo al comienzo de la producción de las celdas, antes de solucionar los problemas asociados con la nueva disposición. Durante la presentación de la nueva celda 4680, Tesla que está, al reducir la resistencia interna al paso de los electrones, gracias al nuevo diseño de los electrodos, puede enfriarse sola.
¿Cómo enfrían las celdas si el calor no se extrae por el costado de la celda?
Tras el análisis realizado por un ingeniero experto en sistemas de transferencia de calor, consultado por la web InsideEVs, la solución por la que ha optado Tesla, teniendo en cuenta la forma en la que se enfrían estas celdas es deshacerse de los módulos, colocándolas directamente en el marco de aluminio fundido de la batería.
Elon Musk añadió además una característica más: “En lugar de un relleno que funciona como un retardante de llama, que es lo que se pone en los paquetes de baterías del Model 3 y del Model Y, el nuevo relleno es también un adhesivo estructural que se une eficazmente a la cara superior e inferior, que permite hacer una transferencia de cizallamiento entre los laterales superior e inferior”.
El nuevo diseño tabless ofrece una excelente ruta de enfriamiento más allá de los extremos de las celdas. Los propios electrodos son placas de enfriamiento perfectas, lo que permitirá extraer el calor del centro de la celda y sacarlo fuera por la parte superior e inferior. Los cálculos realizados por este ingeniero verifican que no hay suficiente transferencia de calor para enfriar de manera efectiva las celdas 4680 si se emplea el sistema de serpentines del Model 3 y el Model Y. Pero indican que sí existe suficiente transferencia de calor para extraerlo de la parte superior y de la parte inferior de las celdas.
Dibujo conceptual del esquema de enfriamiento de placa integral de las celdas 4680 de Tesla. Foto: Keith Ritter.
El análisis térmico también sugiere que Tesla pasaría a un esquema similar al de un diseño de placa de enfriamiento plana, como explicaba el CEO de Tesla. Estas placas se integrarían en la hoja superior e inferior de las celdas, proporcionando, además, resistencia al corte o cizallamiento, tal y como explicaba Musk. Las conexiones eléctricas se realizan a través de la hoja superior, lo que está relacionado con otra de las patentes que Tesla registró el año pasado que cambiaba el diseño de las baterías de sus coches eléctricos eliminando los módulos en los que se dividen los paquetes.
La batería de cualquier coche eléctrico del mercado está formada por un número variable de celdas formadas por los electrodos (cátodo y ánodo), el separador que evita que se toquen, y el electrolito, en el que están sumergidos y por el que viajan los iones. Cuando está en proceso de descarga los iones se liberan del ánodo o electrodo negativo y viajan hasta el cátodo o electrodo positivo. Estas celdas, la base química de la batería, se reúnen en módulos y a su vez los módulos se conectan para formar el paquete de batería completo.
Musk dejó entrever hace tiempo que ya se estaba planteando cambiar el diseño de las baterías de sus coches eléctricos eliminando los módulos en los que se dividen los paquetes. El sistema de enfriamiento por serpentines obligaba a esta división. Sin embargo, sin ellos, Tesla puede empaquetar las células más juntas, lo que conlleva una dobla forma de reducir el volumen.