Investigadores de PEM analizan las baterías de BYD y Tesla

En cuanto a la motivación del análisis, el PEM escribe que, en general, existen pocos datos y análisis detallados sobre las baterías de los vehículos eléctricos modernos. "Ambos actores apenas han revelado datos sobre sus baterías, por lo que la estructura mecánica de las celdasʼ y la mayoría de sus propiedades han permanecido ocultas hasta la fecha", afirma el director del PEM, el profesor Achim Kampker, sobre la elección de los dos sujetos de prueba, Tesla y BYD.

Los resultados publicados el 6 de marzo en la revista Informes sobre células Ciencias físicas muestran, entre otras cosas, que las celdas 4680 de Tesla se centran en la alta densidad energética, mientras que la eficiencia de volumen y los materiales más rentables son más importantes para la celda blade de BYD. Según el estudio, la batería de BYD es más eficiente porque permite una gestión térmica más sencilla.

Para el análisis, los investigadores de la RWTH examinaron la construcción mecánica, las dimensiones y las propiedades eléctricas y térmicas de las células, así como la composición exacta del material de los electrodos. También se determinaron los costes de los materiales de las células y los procesos utilizados para su montaje. En aras de la exhaustividad: La célula Tesla fue adquirida por la cátedra a Munro & Associates, procedente del desmontaje de un Tesla Modelo Y 2022 con el paquete de baterías estructural - debido a su antigüedad, existían ligeras incertidumbres sobre el estado de salud (SoH) exacto de la célula. La célula BYD Blade se importó en línea de un distribuidor chino con un SoH de 100% (en 2023).

Imagen: RWTH Aquisgrán

Lo que la cátedra califica de "resultados sorprendentes" lo explica el profesor Heiner Heimes, miembro principal de PEM: "Nos sorprendió que no hubiera silicio en los ánodos de ambas baterías, especialmente en la célula de Tesla, ya que el silicio está ampliamente considerado en la investigación como un material clave para aumentar la densidad energética." El análisis también proporciona cifras concretas sobre la densidad energética: se determinaron 160 Wh/kg y 355,26 Wh/l para la célula LFP de BYD. Así, la célula cilíndrica 4680 de Tesla con química NMC811 alcanza 241,01 Wh/kg y 643,3 Wh/l a nivel de célula. La densidad de energía volumétrica, en particular, demuestra claramente el enfoque de Tesla.

La célula en forma de aspa de BYD ya se caracteriza por su tamaño especial y epónimo, ya que las células en forma de aspa se extienden por toda la anchura del paquete de baterías: son células prismáticas. En concreto, la empresa de Aquisgrán midió 90 milímetros de altura, 14 milímetros de anchura y unos impresionantes 965 milímetros de longitud, casi un metro. En Tesla, las celdas cilíndricas han ido aumentando de tamaño a lo largo de los años: desde las 18650 del primer Model S hasta las 2170 del Model 3 y el Model Y, pasando por las 4680 con un diámetro de 46 milímetros y una altura de 80 milímetros. "En los últimos años, se ha producido una tendencia hacia las celdas de mayores dimensiones, ya que esto aumenta el contenido energético por celda producida y reduce la complejidad de integración a nivel de sistema", afirma el estudio.

Otra similitud entre las dos baterías que los expertos en baterías de Aquisgrán no esperaban es la forma de ensamblar las celdas. Por ejemplo, sus finas láminas de electrodos se unieron utilizando el método de soldadura láser, todavía poco habitual, en lugar del método de soldadura por ultrasonidos que se utiliza habitualmente en el mercado.

Sin embargo, las diferencias superan a las similitudes; como era de esperar, se habla de tipos de baterías "muy innovadores" y "con un diseño fundamentalmente diferente". Según el informe, hay "diferencias significativas en la velocidad a la que pueden cargarse o descargarse en relación con su capacidad máxima". Según el estudio, la pila de láminas de BYD se basa en un método especial en el que los ánodos y los cátodos de la pila de electrodos se fijan en una posición ideal entre sí laminando los bordes del separador. La batería de Tesla, por su parte, utiliza un nuevo tipo de aglutinante que mantiene unidos los materiales activos de los electrodos. Y "Aunque la célula de BYD es mucho más grande que la de Tesla, la proporción de componentes pasivos de la célula, como colectores de corriente, carcasas y barras colectoras, es similar", afirma Kampker.

Los sistemas de seguridad de las carcasas también son diferentes. A diferencia de las mencionadas 18650 y 2170 de Tesla, que se instalan horizontalmente en el pack, las 4680 se instalan en posición vertical. Esto significa que la célula se ventila hacia abajo en caso de avería. La célula blade, en cambio, ventila hacia un lado (como las células Tesla montadas horizontalmente). En ambos casos, los gases calientes se ventilan lejos del habitáculo, pero en el caso de la célula 4680, también se alejan del sistema de contacto eléctrico. Dependiendo de la posición de la célula en el pack, éste podría resultar dañado si se ventila hacia un lado. Mientras que Tesla utiliza todo el contenedor de la célula como polo negativo, BYD aísla ambos polos del contenedor.

Para determinar el importante factor del coste, se analizó cada componente de las células y se pesó por separado. En torno al 60%, ambas células tienen una proporción similar de material activo, pero de forma diferente: la carcasa de acero de la célula de Tesla pesa más que el contenedor de aluminio de BYD, pero esta ventaja de peso se pierde de nuevo "debido al elevado peso de la película de sustrato" de la célula de la pala. Los costes de material se estimaron utilizando precios de material libremente disponibles en agosto de 2024. Como resultado, la célula de BYD es más de diez euros más barata por kilovatio hora al nivel de precios actual: 25 euros/kWh frente a los más de 35 euros/kWh de Tesla. La diferencia se debe principalmente al diferente material del cátodo: la célula de BYD es incluso ligeramente más cara por el ánodo y el cobre utilizados.

El estudio se elaboró con el apoyo de Tecnología Electroquímica Energética de Münster (MEET) y el Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos (IKTS) como parte del proyecto de investigación FoFeBat2 y está disponible como descarga gratuita. En él podrá leer más detalles, por ejemplo, sobre la disposición de los electrodos en las celdas, la puesta en contacto y también detalles sobre los propios electrodos (como el grosor de los revestimientos), así como la secuencia de proceso prevista durante la producción.

rwth-aachen.de, cell.com (estudio descargable en PDF)