Todo lo que hay que saber sobre la nueva célula de batería 4680 de Tesla

Tesla no se contuvo en el Día de la Batería, anunciando un nuevo factor de forma de célula 4680 sin pestañas, entre otras muchas cosas. El nuevo factor de forma elimina las pestañas, aumenta la densidad de energía, mantiene características térmicas similares a las de las celdas más pequeñas, mejora la relación potencia-peso, agiliza la fabricación y reduce el coste.

Dicho de otro modo, la nueva celda Tesla 4680 es el equivalente a llevar una pistola de patatas a una pelea de patatas fritas. Repasemos cada una de las mejoras que aporta el nuevo factor de forma.

La escala es necesaria

Tesla se conformaba con comprar células con su química propia a sus proveedores, pero veía problemas en el horizonte. Tesla pretende crecer de forma constante a un ritmo del 40-50% anual, y para ello va a necesitar cada vez más baterías. Las previsiones de baterías de Tesla mostraban un desfase entre los límites de producción de sus proveedores de células de batería y la demanda interna de Tesla para sus negocios de automoción y almacenamiento de energía.

Para resolverlo, los equipos de Tesla han trabajado duro comprando y diseñando nuevas soluciones técnicas para impulsar nuevas mejoras en el formato de las células de batería. Y lo que es más importante, Tesla aprovechó sus conocimientos en el ámbito de la fabricación de celdas de baterías junto con su competencia en equipos de fabricación, líder en el mundo, para replantear todo el proceso de principio a fin.

Mejora del cambio en la fabricación de celdas

Al buscar una mayor eficiencia en la fabricación de automóviles, Tesla fue rápidamente más allá del mero diseño y la construcción de productos, pasando al diseño de la máquina que construye la máquina. La fabricación es difícil, pero el compromiso de Tesla la llevó más allá del producto para diseñar productos que fueran más fáciles de fabricar. Lo vimos por primera vez con el Model 3, y el trabajo ha continuado con cada iteración.

Cuando llegó el momento de diseñar la nueva batería, Tesla miró toda la cadena, hasta el punto de partida. Hacer esto es un reflejo de la obsesión de Musk con el pensamiento de primeros principios. Intenta empezar cada diseño, cada debate, con lo que es realmente el mínimo común denominador: la verdad más simple que ancla nuestros productos a los minerales que los componen. Una vez definidos y refinados una y otra vez, es posible construir un diseño optimizado.

Las 4680 líneas de producción de células de batería de Tesla. Captura de pantalla del livestream del Día de las Baterías de Tesla.

En el mundo de las baterías, vimos a Tesla establecer nuevas verdades de terreno con la adquisición de los pioneros de las baterías y los supercondensadores en Maxwell Technologies e Hibar Systems. Tesla aprendió a construir su primera Gigafactoría en Sparks, Nevada, adquiriendo a los expertos en equipos de fabricación de Grohmann Automation. Grohmann se convirtió rápidamente en el principal desarrollador de las líneas de producción de células de baterías en la Gigafactory 1 de Tesla, añadiendo líneas de producción cada vez más avanzadas de Grohmann a la fábrica a medida que se necesitaba más capacidad de producción de células.

La mejora de cada uno de los silos primarios que componen una batería fue útil y condujo a una mayor eficiencia en la Gigafactory 1, pero Tesla vio una visión mayor. Integración total. En el evento del Día de la Batería de Tesla de hoy, Drew Baglino describió la visión que se está llevando a cabo en Tesla.

Las 4680 líneas de producción de células de batería de Tesla. Captura de pantalla del livestream del Día de la Batería de Tesla.

«La integración vertical con los equipos de diseño de máquinas de Grohmann, Highbar y otros nos permite realmente lograr eso porque no tenemos ninguna de estas condiciones de borde entre una pieza de equipo y otra», dijo Baglino. «Podemos diseñar toda la máquina para que sea una sola y eliminar todos estos pasos innecesarios».

La búsqueda incesante de Tesla de la integración vertical proviene de un deseo de eliminar las ineficiencias y mejorar la sostenibilidad del producto. Un subproducto de la integración vertical de Tesla es una mejora muy necesaria en el coste, lo que hace que el coste de los productos de Tesla baje con el tiempo.

La arquitectura sin pestañas de las nuevas celdas 4680 también tiene un impacto directo en la mejora de la fabricabilidad. El diseño sin pestañas no sólo elimina la necesidad de una pestaña, sino que elimina la necesidad de que las líneas de producción se detengan para añadir las pestañas. Las nuevas celdas sin pestañas eliminan este obstáculo, lo que permite que la línea de fabricación sea menos propensa a los defectos de fabricación mientras avanza, enrollando y escupiendo las enormes celdas 4680.

«Esto no es sólo un concepto o una representación», dijo Baglino. «Estamos empezando a aumentar la fabricación de estas celdas en nuestra planta piloto de producción de 10 GWh que está a la vuelta de la esquina». El proyecto Roadrunner de Tesla estableció una línea piloto para la fabricación de las celdas 4680 y, según su director ejecutivo, Elon Musk, ven un camino claro para aumentar los procesos de la línea piloto a escala de gigavatios-hora e incluso de teravatios-hora.

«Llevará un tiempo llegar a la capacidad de producción de 10 GWh», dijo Musk. La empresa espera haber resuelto los problemas de las nuevas líneas de producción en los próximos 12 meses. En ese momento, será el momento de impulsar la escala. «Las plantas de producción reales serán del orden de 200 GWh o más con el tiempo».

A largo plazo, no son las nuevas dimensiones de las células, la química o la configuración de sus vehículos lo que Tesla tiene como competencia principal. Más bien, la fabricación es la clave. «Con el tiempo, todas las empresas de automóviles tendrán coches eléctricos de largo alcance», dijo un apasionado Musk. «Con el tiempo, todas las empresas tendrán autonomía. Pero no todas las empresas serán grandes fabricantes. Tesla estará absolutamente, con la cabeza y los hombros, por encima de todos los demás en la fabricación. Ese es nuestro objetivo».

Factor de forma

Uno de los resultados de estos esfuerzos es un nuevo formato de celda de batería cilíndrica sin pestañas 4680 que aporta una serie de ventajas de rendimiento, fabricación y coste. Como su nombre indica, las nuevas celdas jumbo tienen 46 mm de diámetro y 80 mm de altura. El rollo de gelatina de mayor tamaño introduce más material activo de la batería en la carcasa, lo que supone una mejora de 5 veces en el almacenamiento de energía y un aumento de 6 veces en la potencia. Al ampliar el paquete, el nuevo factor de forma proporciona por sí solo un aumento del 16% en la autonomía.

Las nuevas celdas 4680 sin pestañas son fundamentalmente superiores a las celdas con pestañas en casi todos los aspectos. Aunque son más grandes, la eliminación de la lengüeta hace que los electrones se desplacen más fácilmente dentro de la célula que en las actuales células 2170. «En realidad, la longitud del recorrido es menor en una célula grande sin pestañas que en una célula más pequeña con pestañas», afirma Musk.

Química mejorada: el silicio es increíble

Las nuevas células no son el resultado de un único cambio en el tamaño de las células. Al igual que las numerosas reescrituras del piloto automático de Tesla a lo largo de los años, las celdas 4680 representan una reescritura fundamental de la historia de las celdas de la batería en Tesla.

El silicio se utiliza en las baterías de Tesla hoy en día, pero sus propiedades físicas hacen que sea un elemento un poco difícil de usar en volúmenes más altos. «El reto con el silicio es que se expande 4× cuando se carga con litio», dijo Baglino. El silicio es el elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno, lo que lo convierte en una materia prima de bajo coste y fácil de adquirir. De hecho, la arena no es más que dióxido de silicio.

Para evitar las asperezas del silicio, Tesla empezó, quizá sin sorpresa, con silicio en bruto. De entrada, eso reduce el coste del silicio, y Tesla simplemente construyó una nueva química para complementarlo. «Estabilizar la superficie con un recubrimiento de polímero conductor de iones elástico que se aplica a través de un enfoque muy escalable», dijo Baglino.

Eso es mucho más sencillo que los procesos actuales y permite utilizar un mayor porcentaje de silicio en las células. El resultado es una célula más barata y con mayor capacidad. «Podemos aumentar la autonomía de nuestros vehículos un 20% más», afirma Baglino. La guinda del pastel es que las células también son más baratas. «Eso supone otro 5% de reducción en el nivel del paquete de baterías»

Si suena como el último triunfo, tiene toda la razón. Esa es una de las muchas razones por las que Elon Musk, de Tesla, ha estado burbujeando de entusiasmo sobre el Día de la Batería, que por otra parte es muy tecnológico, durante los últimos meses.

Reimaginando la producción de cátodos

Según Tesla, los procesos actuales de producción de cátodos se basan en químicas heredadas y procesos desarrollados en silos. Siendo Tesla, se utilizó una nueva hoja de papel en blanco para redactar un plan que optimizara cada paso con el fin de minimizar los residuos y los costes desde el mineral hasta el cátodo.

El pictograma simplificado de una cadena de suministro global extremadamente complicada que abarca desde el procesamiento del mineral en bruto hasta la entrega del cátodo terminado es mucho menos enrevesado. No sólo es más ágil, sino que es mucho más barato y genera menos residuos.

Los nuevos cátodos de alto contenido en níquel de Tesla eliminan por completo la necesidad de cobalto. Químicamente hablando, el cobalto es un ancla fantástica para un cátodo, pero viene con algunas advertencias serias.

De entrada, el cobalto es tóxico. Cuanto menos materiales tóxicos tenga que extraer, procesar y utilizar el ser humano, mejor.

También es muy difícil asegurar una fuente de cobalto que sea sostenible, ya que la gran mayoría de la producción de cobalto en el mundo proviene de un solo país: la República Democrática del Congo. El liderazgo del país no ha sido el más estable, y la inyección de cientos de millones de dólares en un sistema ya corrupto no ayuda. Con los vehículos eléctricos y los productos de consumo que ejercen aún más presión sobre un sistema ya cuestionado, los precios se han desestabilizado.

La ética a veces puede quedar relegada, y algunos grupos de derechos humanos acuñan el término «cobalto conflictivo.»

Si se juntan todos estos factores, el cobalto, aunque es beneficioso en la célula de la batería, es cualquier cosa menos beneficioso para una empresa que busca escalar la producción de baterías hasta 3 teravatios-hora al año para 2030.

Deshacerse del cobalto en favor de un cátodo con alto contenido de níquel también mejora el coste de un cátodo en un 15% sobre una base de coste por kilovatio-hora. Eso es enorme. El diseño y la fabricación de cátodos desde cero también da a Tesla una gran ventaja en la construcción de sus propios sistemas internos de reciclaje de baterías.

En total, el trabajo de Tesla en los cátodos dio lugar a un proceso que reduce el coste de procesamiento de un cátodo en un asombroso 76%. Todo esto se hace con mucho menos equipo, lo que se traduce en un ahorro del 66% en gastos de capital para la producción de cátodos. Como guinda del pastel, el nuevo proceso utiliza mucha menos agua que el procesamiento tradicional. De hecho, el nuevo proceso no genera agua de desecho.

Tesla está introduciendo todas estas mejoras en una nueva planta de producción de cátodos en Norteamérica. Estará ubicada para minimizar los desplazamientos sin valor añadido de las materias primas y los productos intermedios en la región.

Características térmicas mejoradas

La mejora que hace gran parte del trabajo pesado para permitir el uso de un factor de forma más grande es el diseño sin pestañas. La eliminación de las pestañas reduce la resistencia interna dentro de la célula causada por el componente adicional. La resistencia interna se traduce en una mayor generación de calor, un proceso de fabricación más complejo y un mayor coste.

La nueva célula 4680 de Tesla elimina la lengüeta interna, integrando en su lugar la función de la lengüeta en el propio rollo de gelatina, lo que da como resultado un aspecto limpio y uniforme al final de la célula. «Básicamente, tomamos las láminas existentes, las pulverizamos con láser y habilitamos docenas de conexiones en el material activo a través de esta espiral en forma de ripia», dijo el SVP de Tesla, Drew Baglino.

La eliminación de la lengüeta en cada célula «elimina el problema térmico de la ecuación y nos permite ir al factor de forma de menor coste absoluto y al proceso de fabricación más simple», dijo Baglino.

Centrándose en los beneficios térmicos del diseño sin pestañas de la nueva célula 4680 de Tesla, el nuevo diseño permite que las células de mayor diámetro alcancen características térmicas similares a las de una célula más pequeña. Dicho de otro modo, se mantienen tan frías como las celdas más pequeñas, lo que permite a Tesla meter más energía en el mismo volumen físico.

Las celdas con pestañas más grandes han tenido históricamente problemas para eliminar el calor a velocidades de carga muy rápidas. La nueva célula de Tesla rompe la tendencia, cargando casi tan rápido como una célula más pequeña, a la vez que aporta todas las ventajas de una célula más grande. Tesla ha sido capaz de tomar lo mejor de ambos mundos, alterando por completo el pequeño pero creciente mundo de la producción de baterías para automóviles.

Te escucho, ¿pero y qué?

Eso es mucho contenido técnico para algo en lo que la mayoría de los humanos ni siquiera piensan. Las celdas de las baterías son enormemente complejas y la última versión de Tesla de los componentes fundamentales de sus vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía puede ser difícil de digerir. Pongamos un arco en él.

En conjunto, la nueva célula de batería 4680 de Tesla representa un cambio de paradigma en el almacenamiento de energía para automóviles. Las nuevas células son mucho más baratas y pueden almacenar mucha más energía por unidad de volumen. Han sido rediseñadas como elementos estructurales del vehículo, dando como resultado un vehículo más barato y más rígido.

Tesla ha presentado hoy cientos, si no miles, de pequeñas mejoras que suponen un cambio radical en el bloque fundamental del negocio de Tesla: la célula de la batería.

  • Una mejora del 14% en el coste/kWh procedente del cambio en el factor de forma de la célula.
  • 18% de mejora en el coste/kWh como resultado de la reducción de la huella de fabricación en 10× y la reducción del consumo de energía de fabricación en 10×. El nuevo proceso de fabricación en seco permite prensar el material activo en polvo de la batería directamente en una película. El nuevo proceso de fabricación se basa en el proceso de «prueba de concepto» patentado por Maxwell Technologies. El proceso aún no está a escala de producción, pero hay un «camino claro» hacia la producción a gran escala.
  • Mejora del 5% en el coste/kWh procedente del aumento de la utilización del silicio en las celdas de la batería.
  • Reducción del 12% en el coste/kWh procedente de las mejoras en el material del cátodo.
  • Mejora del 7% en el coste del paquete de baterías por kWh como resultado del nuevo diseño integrado del vehículo de Tesla. Tesla ha rediseñado sus vehículos utilizando nuevas piezas de fundición delanteras y traseras que se integran con el paquete de baterías. Para ello, Tesla ha desarrollado una aleación completamente nueva que permite fundir algunos de los componentes más grandes del sector del automóvil. Estos se atornillan directamente a una nueva «batería estructural», eliminando la necesidad de elementos redundantes y paralelos en los Tesla.

En total, el rediseño de Tesla de la batería, el cátodo y el chasis del vehículo se traduce en una mejora prevista del 56% en el coste por kWh de Tesla. Eso es un cambio de juego para Tesla y permitirá una generación completamente nueva de vehículos eléctricos de bajo coste. Todo comienza con la humilde célula de la batería. Tesla ha hecho importantes progresos en el replanteamiento de la célula de la batería y está en camino de poner estas nuevas células en producción. Sin embargo, la empresa tardará 18 meses en llevar la mayoría de estos cambios a la producción.

Todas las imágenes fueron capturadas en el livestream del Día de la Batería de Tesla.

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