Tesla afirma que sus celdas 4680 celdas aportan una gran ventaja competitiva respecto a las anteriores, de tamaño sensiblemente inferior. A pesar de eso, tras su presentación, las controversias respecto a si era posible o no fabricarlas han durado más de dos años. Ahora, Tesla le he pedido a Panasonic que comience a producirlas lo antes posible, aunque el fabricante japonés no lo hará hasta el año que viene. Hasta ahora, parecía que el único problema era fabricarlas. Sin embargo, Bosch brinda otra perspectiva: al ser más grandes generan más calor que además es más complicado de evacuar, elevando la temperatura, lo que puede comprometer su vida útil.
El 22 de septiembre de 2020, en el famoso 'Battery Day' en el que Tesla presentó la nueva celda 4680, 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.
La perspectiva de Bosch sobre las celdas 4680
Jake Christensen es el Ingeniero Jefe de Modelado de Baterías de Bosch y trabaja en el Centro de Investigación y Tecnología que la multinacional alemana tiene en Estados Unidos. Allí dirige el departamento de Modelado de Materiales y Sistemas de Energía. En resumen, es el encargado de crear los modelos matemáticos que permiten a Bosch ahorrar tiempo en el desarrollo de sus celdas. Las dudas sobre las ventajas de las celdas 4680 de Tesla fueron compartidas por Christensen en una publicación del Bosch Research Blog.
Christensen analiza los conceptos que Tesla menciona para afirmar que las celdas 4680 son únicas, siendo clave su diseño el diseño tabless que sustituye la pestaña conectora única que une los electrodos con la carcasa por muchas de ellas, lo que facilita el movimiento de los electrones. A partir de las imágenes que el fabricante publicó sobre esta nueva arquitectura, el ingeniero corrige la nomenclatura advirtiendo que en realidad es un diseño de múltiples pestañas, o una espiral de tablillas de pestañas que han sido modeladas con láser. Se crea una arquitectura continua en lugar de un diseño de una sola pestaña conectada a los extremos del colector de corriente del cátodo y del colector de corriente del ánodo.
Teniendo en cuenta que cada celda cilíndrica tiene electrodos enrollados que miden alrededor de un metro, el diseño de Tesla acorta la longitud total del camino eléctrico de 3,5 metros a unos 75 mm. Esa sería la razón por la que el fabricante afirma que ayuda a aumentar la densidad de energía y reducir la resistencia y, en consecuencia, la generación de calor dentro de las células. Sin embargo Christensen afirma que el problema es que la resistencia no es la única fuente responsable de elevar la temperatura en el interior de la batería.
Destaca que la mayor parte del calor generado por las celdas proviene de la propia electroquímica. El ingeniero de Bosch también mencionó que "una celda más grande generalmente será más lenta en rechazar ese calor". En otras palabras, a menos que Tesla tenga un "truco" en la química en sí, las celdas 4680 tienden a presentar temperaturas más altas que las de formatos de batería cilíndricos más pequeños como 1865 y 2170.
Como bien saben los propietarios de un coche eléctrico, elevar la temperatura de funcionamiento de la batería no es precisamente lo más recomendable. Aparte del riesgo de fuga térmica, un efecto por el que se acelera el sobrecalentamiento en todas las celdas, también provoca una degradación más acelerada. Afortunadamente, Christensen advierte que la arquitectura de múltiples pestañas podría ayudar a evitar el efecto del recubrimiento de litio, responsable de la formación de las dendritas, que ocurre en la carga rápida.
En conclusión, para Christensen, la solución tabless de las celdas 4680 que, según Tesla, "elimina el problema térmico de la ecuación", debe verificarse. La información que baraja Christensen, indica que esta afirmación no es correcta. El incremento de la resistencia térmica radial debida al mayor diámetro de celda sería un problema a largo plazo. Podría acelerar la degradación debido a la velocidad a la que se producen las reacciones parasitarias.
En la publicación, Christensen menciona que Tesla puede no haber revelado algunos elementos técnicos susceptibles de eliminar estas preocupaciones sobre el comportamiento térmico de las celdas. Sin embargo, esta también puede ser la razón por la que su producción se ha demorado tanto tiempo tras su presentación en público.
La versión no oficial de Tesla
El nuevo diseño de las celdas 4680 da como resultado un cilindro mucho más grande. En el Model 3 y en el Model Y, 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. 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 por lo que Tesla tuvo que reinventar todo el proceso.
Según otros expertos que han analizado la escasa información que Tesla ha ofrecido, el 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 permite extraer el calor del centro de la celda y sacarlo fuera por la parte superior e inferior. Los cálculos realizados 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.
El análisis térmico también sugiere que Tesla pasaría a un esquema similar al de un diseño de placa de enfriamiento plana que se integrarían en la hoja superior e inferior de las celdas, proporcionando, además, resistencia al corte o cizallamiento. 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.
Conclusión
Por ahora habrá que esperar a que un especialista independiente desmonte un paquete de baterías formado por estas celdas y las pruebe. Bosch ha sembrado la duda sobre si las celdas 4680 que actualmente ya se están implementando en las unidades del Model Y que salen de la fábrica de Austin, pueden no estar lo suficientemente maduras para la producción. Si lo estuvieran, ¿por qué Panasonic no las fabrica ya en lugar de esperar hasta 2023?
