Las baterías de potencia sirven como fuente de energía para los vehículos eléctricos (VE). Un sistema de baterías de potencia generalmente se divide en tres niveles: el paquete de baterías, los módulos y las celdas.

1. Paquete de baterías

El paquete de baterías suele estar compuesto por módulos de batería, un sistema de gestión térmica, un sistema de gestión de baterías (BMS), sistemas eléctricos y componentes estructurales.

Un módulo de batería puede entenderse como un producto intermedio entre las celdas y el paquete, formado por la combinación de celdas de iones de litio en configuraciones en serie y en paralelo, a la que se le añaden dispositivos individuales de monitorización y gestión de las celdas. Su estructura debe soportar, fijar y proteger las celdas.

Sus componentes básicos incluyen:

• Controlador del módulo: A menudo se le denomina placa esclava del BMS.
• Celdas de batería
• Conectores conductores
• Marco de plástico
• Placa fría y tuberías de refrigeración
• Placas y fijaciones en los extremos: Las placas en ambos extremos agrupan las celdas individuales y ejercen cierta presión. Además, suelen estar diseñadas para fijar el módulo al paquete de baterías.

El objetivo del diseño de módulos es facilitar la gestión de las celdas por parte del BMS, mejorar la seguridad de la batería y simplificar el mantenimiento y la reparación, de forma similar a como se divide un país en varias provincias para facilitar su gobernanza.

3. Célula
Una pila consta principalmente de un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo), un separador y un electrolito. Su principio de funcionamiento se basa en la migración de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo para lograr la carga y la descarga.

• Proceso de carga: Requiere energía externa (electricidad de la red) para almacenar energía eléctrica en la batería.
• Proceso de descarga: Ocurre espontáneamente, liberando la energía almacenada.

Las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos se clasifican principalmente en tres categorías según sus sistemas de materiales: óxido de manganeso y litio (LMO), materiales ternarios (NCM/NCA) y fosfato de hierro y litio (LFP).

La seguridad, la estabilidad y el rendimiento a bajas temperaturas son también indicadores fundamentales para la evaluación integral del rendimiento de las baterías de iones de litio.

• Óxido de manganeso y litio (LMO)

El LMO presenta un rendimiento deficiente a altas temperaturas, una baja estabilidad cíclica y características de almacenamiento inadecuadas. El manganeso tiende a disolverse o disociarse a temperaturas elevadas, lo que reduce la vida útil de la batería y su durabilidad.

• Baterías de iones de litio de material ternario (NCM/NCA)

Las baterías ternarias ofrecen un rendimiento equilibrado en temperaturas extremas, ciclos de carga y descarga, seguridad, almacenamiento y diversas métricas eléctricas. Se caracterizan por su alta densidad energética volumétrica, costes de materiales moderados y rendimiento estable. Según la proporción de níquel, cobalto y manganeso, los sistemas de celdas ternarias incluyen series como la NCM532 y la NCM811. El sistema 811 ha ganado gran popularidad en los últimos años. Una mayor proporción de níquel aumenta la densidad energética de la batería, pero, a su vez, reduce su estabilidad. Por lo tanto, el diseño de baterías de potencia es un constante ejercicio de equilibrio entre practicidad y seguridad.

• Fosfato de hierro y litio (LFP)

El electrodo positivo de una batería de litio se construye recubriendo una lámina de aluminio (el colector de corriente) con el material activo positivo (como LFP o NCM), mientras que el electrodo negativo se fabrica recubriendo una lámina de cobre (el colector de corriente) con el material activo negativo (como grafito o LTO).

Generalmente, las baterías reciben su nombre del material de su electrodo positivo, por lo que se las suele denominar baterías ternarias o de fosfato de hierro y litio. Sin embargo, las baterías de titanato de litio (LTO) constituyen una excepción, ya que el LTO es el material del electrodo negativo, lo que las convierte en un caso único de una batería cuyo nombre proviene del material de su electrodo negativo.

Al revisar la literatura extranjera, es común encontrar autores que se refieren al material del electrodo positivo como cátodo y al material del electrodo negativo como ánodo. Inicialmente, esto puede resultar confuso, ya que la electroquímica estándar define el electrodo donde ocurre la reducción como cátodo y donde ocurre la oxidación como ánodo; es decir, la designación cambiaría cuando la batería alterna entre los modos de carga y descarga. Con el tiempo, queda claro que esta definición se basa en el estado de la batería sin influencia de energía externa; por lo tanto, el cátodo y el ánodo de la batería están determinados específicamente por los estados de reacción durante la descarga.

Análisis de la degradación de la batería
La degradación de la batería se puede analizar desde dos dimensiones principales: la degradación del rendimiento y la degradación de la seguridad.

1) Degradación del rendimiento: Tras un cierto periodo de uso, los vehículos eléctricos experimentan una disminución en la autonomía y también puede notarse una caída en el rendimiento de aceleración. Esto se puede analizar principalmente a través de la pérdida de capacidad, el aumento de la resistencia interna (RI) y las elevadas tasas de autodescarga.

2) Degradación de la seguridad: La degradación de la seguridad es relativamente más difícil de detectar. La batería puede haber sufrido deformación física o mecánica, la probabilidad de un cortocircuito interno (CCI) puede haber aumentado o puede existir riesgo de fuga de electrolito. Por lo tanto, para comprender completamente el proceso de degradación de la batería, los siguientes pasos implican investigar qué desencadena la reducción de la capacidad, qué factores provocan el aumento de la resistencia interna, cómo se produce la deformación de la batería y qué mecanismos conducen a cortocircuitos internos.

Seguridad comparativa y tendencias del mercado
En términos de seguridad, las baterías de óxido de manganeso y litio (LMO) ofrecen un rendimiento significativamente superior al de las baterías ternarias. Por ejemplo, algunos fabricantes nacionales utilizan actualmente el LMO modificado de Xinzheng (LMA-30) para producir celdas individuales de 90 Ah, las cuales superan todas las pruebas de seguridad del Instituto 201. En cambio, en el caso de los materiales ternarios, incluso las celdas individuales de 20 Ah fabricadas en el país pueden tener dificultades para superar la prueba de penetración con clavo. Esta diferencia se debe fundamentalmente a la estabilidad estructural de los materiales; la estructura cristalina del LMO es intrínsecamente más estable que la de los materiales ternarios.

Además, los materiales LMO han tenido un período de desarrollo más prolongado y poseen un nivel de madurez tecnológica mucho mayor. El LMA-30 mencionado anteriormente utiliza dopaje/modificación con aluminio (Al) para mejorar el LMO; no se descartan opciones ternarias modificadas similares para su lanzamiento futuro. Asimismo, debido a problemas de compatibilidad con el electrolito, los materiales ternarios son más propensos a la generación de gases (gasificación) en comparación con el LMO, lo que constituye otra razón por la cual la seguridad de las baterías ternarias es inferior a la del LMO.

Sin embargo, la densidad energética de los materiales ternarios es sustancialmente mayor que la del LMO. Por consiguiente, las baterías más avanzadas que se fabrican actualmente en Japón y Corea del Sur utilizan principalmente LMO mezclado con una cierta proporción de materiales ternarios. Este enfoque garantiza la seguridad a la vez que aumenta la densidad energética, lo que representa una tendencia clave para el futuro desarrollo de las baterías para vehículos eléctricos.

Estructuras celulares

Las células se clasifican en tres tipos según su diseño estructural: cilíndricas, en forma de bolsa y prismáticas.

1. Celdas prismáticas: Debido a su facilidad de fabricación y eficiencia en el uso del espacio, las celdas prismáticas son actualmente la opción predominante para los vehículos eléctricos en China.
2. Celdas cilíndricas: Altamente estandarizadas. Los modelos comunes incluyen 14650, 14500, 18650 y 21700. Los dos primeros dígitos representan el diámetro (mm), el tercer y cuarto dígito representan la altura (mm), y "0" indica una forma cilíndrica. Actualmente, Tesla utiliza celdas 18650 y 21700, y las celdas 4680, de mayor tamaño, están entrando en la aplicación masiva. Los componentes típicos incluyen las placas positiva y negativa, el separador, el electrolito, la carcasa, la tapa (terminal positivo), la junta y la válvula de seguridad.
3. Celdas tipo bolsa: Empaquetadas en película de aluminio y plástico, lo que ofrece una gran flexibilidad de diseño.

4. Sistema de gestión de la batería (BMS)
Sistema de gestión de la batería para baterías de iones de litio Es un sistema de control y monitorización diseñado para gestionar el rendimiento y la seguridad de la batería. Mediante la adquisición y el cálculo de parámetros críticos como el voltaje, la corriente, la temperatura y el estado de carga (SOC), el BMS regula los procesos de carga y descarga, protege la batería de condiciones de funcionamiento anómalas y, en consecuencia, mejora su rendimiento general y su vida útil. Actúa como un enlace vital de comunicación y control entre la batería de tracción a bordo y el vehículo eléctrico.

Tres funciones principales del BMS:

1. Estimación del estado de carga (SOC): Mide la energía restante para proporcionar a los conductores métricas de autonomía precisas y recordatorios de carga.
2. Gestión térmica: Supervisa las temperaturas de funcionamiento y activa los sistemas de refrigeración (ventiladores o placas de refrigeración) para mantener la batería dentro de su rango de temperatura óptimo.
3. Equilibrio de la batería: Corrige las variaciones de voltaje y capacidad causadas por tolerancias de fabricación o disipación de calor desigual, evitando la sobrecarga de las celdas individuales.

El análisis de riesgos durante el desarrollo del sistema de gestión de baterías (BMS) identifica riesgos como sobretensión (sobrecarga), subtensión, sobretemperatura y sobrecorriente. La sobrecarga prolongada es particularmente grave, ya que puede causar daños irreversibles, deformaciones o fugas. El mecanismo de seguridad debe detectar la sobrecarga de inmediato y mitigar las fallas puntuales o latentes.

5. Tendencias en el desarrollo de baterías

5.1 Baterías sin cobalto
Las baterías de litio ternarias requieren cobalto para estabilizar su estructura laminar y mejorar su vida útil. Sin embargo, los precios del cobalto fluctúan drásticamente y más de la mitad del suministro mundial se concentra en la República Democrática del Congo (RDC), lo que hace que la cadena de suministro sea altamente vulnerable a las perturbaciones geopolíticas y pandémicas. Eliminar o reducir el cobalto disminuye los costos de los vehículos y mitiga los riesgos de la cadena de suministro.

• Ventajas: Los electrolitos sólidos presentan una amplia ventana de estabilidad electroquímica, lo que permite el uso de materiales catódicos de alto voltaje y ánodos de litio metálico de alta capacidad, aumentando considerablemente la densidad de energía. Su elevada resistencia mecánica también bloquea eficazmente la penetración de dendritas de litio, evitando cortocircuitos.
• Problema actual: Impedancia interfacial sólido-sólido extremadamente alta entre los electrodos y el electrolito.

5.3 Baterías Blade
Presentada por BYD, la batería Blade utiliza celdas largas y delgadas (960 mm de largo, 13,5 mm de grosor y 90 mm de alto) que se asemejan a aspas, empleando un método de apilamiento interno en lugar del bobinado tradicional. Mediante el uso de adhesivos estructurales para fijar las celdas entre dos capas de placas de aluminio, las propias celdas actúan como elementos estructurales. Este diseño imita los paneles de aluminio tipo panal, eliminando por completo los módulos para reducir el peso, disminuir los costos y maximizar el aprovechamiento del espacio.

• Desafío: El proceso es complejo. Las altas tasas de rechazo durante el corte, las dificultades para mantener la uniformidad de los bordes y las rebabas, y los requisitos de precisión de alineación crean exigentes obstáculos de fabricación. Esta es la razón principal por la que las baterías apiladas aún no han logrado un dominio absoluto del mercado sobre las baterías tradicionales de bobinado.

• Ruta 1: Completamente libre de módulos (por ejemplo, BYD Blade Battery).
• Ruta 2: Integrar módulos pequeños en módulos gigantes (por ejemplo, CATL CTP).

CTC (Cell to Chassis): La siguiente evolución más allá de CTP. Integra las celdas de la batería directamente en el chasis del vehículo, fusionando la cubierta de la batería con el piso. Los asientos se pueden montar directamente sobre el paquete de baterías. CTC supera las limitaciones de los sistemas PACK tradicionales, permitiendo una profunda integración de las celdas, el chasis, el motor, el control electrónico y los sistemas CC/CC para optimizar el espacio, reducir el consumo de energía y lograr que los costos de producción de vehículos eléctricos compitan directamente con los de los vehículos con motor de combustión interna.

Acey Nueva Energía ofrece equipos de fabricación llave en mano y soluciones de ingeniería integrales para líneas de ensamblaje de paquetes de baterías de iones de litio , abarcando todo el proceso, desde la célula hasta el empaquetado.

Apoyamos a nuestros clientes desde la planificación inicial de la fábrica hasta la producción final, brindando servicios integrales que incluyen la optimización del diseño de la línea, la integración de equipos, apilamiento de módulos Soldadura láser de precisión, integración del sistema de gestión de baterías (BMS) y pruebas de rendimiento del paquete final.

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