Para los fabricantes de coches eléctricos y los de sus baterías, la autonomía ha sido un caballo de batalla con el que todavía pelean, dedicándole importantes inversiones en sus programas de I+D. Si bien existen numerosos factores de diseño que pueden afectar la autonomía de un vehículo eléctrico, la variable más importante es la batería. La industria está invirtiendo significativamente en la investigación de diferentes tecnologías, químicas y arquitecturas de las baterías con la esperanza de mejorar el rendimiento, el coste y la capacidad. Una de ellas, la más básica, es el formato y las dimensiones que tienen las celdas que las forman.
A principios de este mes, BMW confirmaba que había decidido reemplazar las celdas prismáticas con las que actualmente empaqueta sus baterías y que son utilizadas por todos sus coches eléctricos por unas nuevas, en formato cilíndrico. Las dimensiones de estas celdas podrían corresponderse con las presentadas pro Tesla en su Battery Day, es decir en formato 4680 (46 mm de diámetro y 80 mm de altura), aunque BMW baraja mantener el diámetro y disponer de diferentes alturas en función de las especificaciones que requiera cada uno de sus coches eléctricos.
¿Por qué BMW ha decidido hacer este cambio tan radical? Las diferencias entre la geometría de celda cilíndrica y prismática son importantes. BMW quiere aprovechar los beneficios de las primeras para avanzar en las especificaciones de sus coches eléctricos con las que asegura que logrará aumentar la autonomía y la velocidad de carga.
Celdas cilíndricas contra celdas prismáticas
Cuando se trata de baterías de iones de litio, dos de las geometrías de celda más habituales son las celdas prismáticas y cilíndricas. También son muy utilizadas las celdas en formato bolsa que, por ejemplo, utiliza General Motos en sus baterías Ultium, aunque su tamaño eleva la probabilidad de que se produzcan fugas térmicas. La llegada de la química LFP, más segura está ofreciendo a este formato una segunda vida.
Las celdas prismáticas son una geometría de batería que se compone de una serie de electrodos positivos y negativos intercalados en una forma rectangular. La química de una celda prismática está encerrada en una carcasa rígida, en su mayoría de aluminio o acero, para garantizar un alto nivel de estabilidad. Debido a esta arquitectura única, las celdas prismáticas suelen ser livianas y delgadas. Por estas razones, las celdas prismáticas tienden a usarse en aplicaciones que requieren una alta densidad energética, como es el caso de los sistemas de almacenamiento de energía y los vehículos eléctricos.
Por otro lado, las celdas cilíndricas, por otro están configuradas con una serie de electrodos que están encerrados en una geometría circular. Las celdas están enrolladas de manera extremadamente apretada y están confinadas dentro de una carcasa de metal especial que reduce las posibilidades de que la batería se hinche y se dañen los electrodos. Las celdas cilíndricas tienden a ser pequeñas y redondas, lo que les permite apilarse unas encima de las otras. Generalmente, las celdas cilíndricas se utilizan en dispositivos médicos, bicicletas eléctricas y satélites.
Ventajas de las celdas cilíndricas
A pesar del que las celdas prismáticas han sido las más utilizadas por la industria de los vehículos eléctricos, las celdas cilíndricas ofrecen una serie de ventajas que están contribuyendo a un cambio claro en esta tendencia.
Una de las principales ventajas de una geometría cilíndrica en las baterías de iones de litio es el hecho de que su construcción se presta mejor a diferentes tipos de automatización y facilidad de fabricación. Debido a esto, las baterías redondas se pueden producir mucho más rápido y a un menor coste por kilovatio hora que las celdas prismáticas.
Además, otra gran ventaja de las celdas cilíndricas es que son extremadamente seguras en la mayoría de los casos. Una de las razones de esto es la geometría de la celda que aumenta la estabilidad de la batería. Más allá de esto, las celdas de batería redondas a menudo están diseñadas de tal manera que si su presión interna aumenta demasiado, se produce la rotura, lo que implica que es poco probable que se incendien o que exploten.
Finalmente, aunque las celdas cilíndricas a menudo tienen una capacidad menor que las celdas prismáticas, tienen ventaja en términos de potencia de salida. Hoy en día, algunas de las principales marcas de vehículos eléctricos, como Tesla, Rivian y Lucid, las emplean en sus coches eléctricos y algunos de los fabricantes tradicionales que no habían optado por ellas, están comenzando a modificar su criterio.
El caso de BMW
En la búsqueda de una mayor autonomía, BMW ha anunciado una transición desde sus celdas prismáticas actuales a las nuevas celdas cilíndricas. Estas llegarán a la nueva gama Neue Klasse de BMW, inicialmente con dos dimensiones diferentes: 46 mm y 95 o 120 mm de altura. En el interior, el cátodo de sus celdas mantendrá la química ternaria de iones de litio NCM (níquel, cobalto, manganeso) aumentando el contenido de níquel y reduciendo el contenido de cobalto. En el otro electrodo, el ánodo, se aumentará el contenido de silicio sustituyendo al grafito. Además el voltaje eléctrico se aumentará a 800 voltios, con intensidades de corriente de 500 amperios.
Según BMW, en comparación con las celdas prismáticas de quinta generación, las cilíndricas elevarán la densidad volumétrica en un 20 %, aumentarán la autonomía en un 30 %, y lograrán que la velocidad de recarga sea un 30 % mayor. Además, el coste de producción de un paquete de baterías de este tipo será un 50 % inferior con una reducción de emisiones de CO2 del 60 %.
Con este cambio, las primeras informaciones especulan con que BMW podrá ofrecer en su nueva línea Neue Klasse una autonomía superior a los 800 kilómetros por carga.
