Seguridad de las baterías de los vehículos eléctricos: el equilibrio entre densidad y carga rápida

Una serie de incendios de vehículos eléctricos en octubre, incluyendo modelos de alta gama como el Xiaomi SU7 Ultra, el NIO ET7, el Li Auto MEGA, el Mercedes-Benz EQE y el Porsche Taycan, ha vuelto a poner de relieve la seguridad de las baterías. Los datos y las pruebas demuestran que la carrera por el rendimiento —desde la alta densidad energética hasta la carga ultrarrápida— se está produciendo a expensas de la estabilidad térmica y exige una gestión de riesgos más rigurosa (vía 36kr.com).

Alta densidad energética: ventaja de alcance, estabilidad térmica a presión

La transición de materiales positivos de fosfato de hierro y litio (LFP) a materiales ternarios de litio (NCM/NCA) ha aumentado la densidad energética y ampliado el rango de funcionamiento. Sin embargo, en comparación con el LFP, que posee una estructura cristalina estable y es difícil de liberar oxígeno, los materiales con alto contenido de níquel reducen la estabilidad térmica.

La experiencia del mercado obligó a la industria a adaptarse: tras los incidentes relacionados con el NCM 811 (GAC Aion S en 2020; General Motors retiró del mercado casi 70 000 vehículos en 2021 debido a los altos riesgos de las baterías de níquel, y LG Chem pagó mil millones de dólares en compensación), la configuración NCM más utilizada pasó a ser 5-2-3/6-2-2 para equilibrar rendimiento y seguridad. Las baterías LFP siguen estando muy presentes en el segmento de menos de 200 000 yuanes debido a su coste, mientras que las baterías de tres componentes se utilizan en vehículos de gama media y alta (por ejemplo, Tesla utiliza baterías de tres componentes para la versión de largo alcance y LFP para la versión estándar).

De 18650 a 4680, luego CTP/CTC: eficiencia volumétrica y riesgo de células grandes

Junto con los materiales, las mejoras arquitectónicas han contribuido a concentrar más energía en el mismo volumen. El primer Tesla Model S utilizaba una estructura de celda-módulo-paquete: cada módulo contenía aproximadamente 444 celdas 18650, equipadas con su propio BMS y conductos de refrigeración; un paquete podía tener 16 módulos, con materiales ignífugos. Desde entonces, la tendencia ha sido reducir y eliminar módulos (CTP: de celda a paquete) e integrar profundamente la batería (CTC: de celda a chasis).

El tamaño de las celdas cilíndricas aumentó de 18650 a 21700 y 4680. En cuanto a las cúbicas, BYD optimizó Blade para incrementar la relación de utilización del volumen en aproximadamente un 50%, elevando la capacidad de la celda de 135 Ah a más de 200 Ah. CATL, en colaboración con Qilin, impulsó la relación de utilización del volumen hasta el 72%, superando el hito del 63% de la celda 4680. Las soluciones CTC entrarán en producción en masa entre 2022 y 2023.

La desventaja: las celdas de gran capacidad, al sufrir un cortocircuito interno, pueden disipar el calor rápidamente, formando puntos calientes y una reacción térmica en cadena más intensa. Por lo tanto, el tiempo entre el inicio del humo y la ignición es muy corto y difícil de controlar. Además de la celda, el proceso de empaquetado de la batería también representa un riesgo: NIO retiró del mercado 4803 vehículos ES8 en 2019 debido a un cableado de alto voltaje defectuoso en la batería.

La carrera por la carga rápida de 800 V y 10 C: mejor experiencia, menor margen de seguridad.

La potencia de carga se calcula multiplicando el voltaje por la corriente. La primera generación de vehículos de 400 V tenía tasas de carga inferiores a 1C. Tesla aumentó gradualmente la potencia del supercargador de 90 kW (V1) a 250 kW (V3), lo que añadió unos 250 km de autonomía tras 15 minutos de carga y a tasas de 2-2,5C.

El Porsche Taycan fue pionero en la plataforma de 800 V con una capacidad de carga rápida de 270 kW: al aumentar el voltaje, se reducen la corriente y la pérdida de calor, mejorando la seguridad durante la carga de alta potencia. Los fabricantes chinos no tardaron en adoptar la tecnología de 800 V, elevando la capacidad de la batería a 4C o más; aparecieron en el mercado capacidades de carga superiores a 400 kW. En 2023, Li Auto MEGA anunció el uso del CATL Qilin 5C, con una capacidad máxima de más de 500 kW. BYD afirmó tener la capacidad de cargar a 10C, «10 minutos suficientes para 600 km»; sin embargo, según pruebas de la industria, la corriente máxima de 10C solo se mantiene durante un tiempo muy breve.

En contrapartida, los requisitos de aislamiento, protección y extinción de arco aumentan drásticamente; la corriente de cortocircuito instantánea es mayor y la reacción térmica puede ser más intensa. Con corrientes elevadas, los iones de litio se incrustan y separan rápidamente, lo que genera calor y favorece la formación de dendritas, reduciendo la vida útil de la batería. Según la información compartida por Li Bin (NIO) en septiembre, la búsqueda de la supercarga tiene un coste, que incluye la reducción de la vida útil de la batería. NIO utiliza la carga lenta en estaciones de intercambio de baterías, con el objetivo de alcanzar el 85 % de la vida útil en 15 años. «Imagínese que, después de 8 años de uso del coche, tuviera que gastar entre 80 000 y 100 000 yuanes (entre 11 000 y 14 000 dólares) para reemplazar la batería… es un coste inaceptablemente alto».

Hitos de carga rápida y base de voltaje (por fuente)

Sistema/vehículo	Tierra/voltaje	Máxima potencia	Nota
Supercargador Tesla V1 → V3	~400 V	90 kW → 250 kW	~250 km/15 minutos; velocidad 2–2,5 °C
Porsche Taycan	800 V	270 kW	Reducir la pérdida de corriente y calor
Muchas empresas chinas	800 V	>400 kW	Batería 4C o superior
Li Auto MEGA + CATL Qilin 5C	800 V	>500 kW	Anunciado en 2023
Cargador BYD 10C	—	—	10 min ~600 km; la corriente de 10C dura muy poco (según pruebas de la industria).

Soluciones técnicas actuales: refrigeración, separación termoeléctrica, optimización del BMS

Antes de que las baterías de estado sólido alcancen la escala industrial, la optimización de las baterías líquidas sigue siendo la principal línea de investigación:

CATL Qilin coloca una placa de refrigeración líquida entre las celdas para aumentar el intercambio de calor; dispone una válvula de alivio de presión en la parte inferior de la celda, separada del polo positivo/negativo en la parte superior para la “separación termoeléctrica”.
El electrodo negativo recubierto de grafito de grano fino acelera la inmersión de iones, favorece la carga rápida y reduce el riesgo de "deposición de litio".
La forma alargada y delgada del BYD Blade favorece la disipación del calor; su diseño denso crea un efecto de soporte estructural, reduciendo la necesidad de vigas transversales y longitudinales tradicionales. Sin embargo, aún existen preocupaciones sobre la flexión de las celdas ultralargas en caso de colisión.
El sistema BMS se ha mejorado con monitorización en tiempo real de tensión, corriente y temperatura; interrupción del circuito y alarma en caso de anomalía. Sin embargo, un cortocircuito instantáneo puede superar la velocidad de muestreo/respuesta.

Baterías de estado sólido: alto potencial, grandes obstáculos

Las baterías de estado sólido llevan tres décadas en desarrollo, pero aún no han alcanzado la producción a escala industrial debido a los desafíos en I+D, los procesos y el coste de la transición desde el ecosistema actual de baterías líquidas. La mayoría de los fabricantes de automóviles y de baterías no están preparados para realizar grandes inversiones en este momento.

Conclusión: No existe la seguridad absoluta, solo una curva de aprendizaje.

Un paquete de baterías bien equilibrado es una combinación de materiales, arquitectura, procesos y sistema de gestión de baterías (BMS). En la búsqueda del máximo rendimiento, la inversión en seguridad debe aumentar proporcionalmente y la información a los usuarios debe ser veraz, evitando ocultar diferencias en el riesgo.

Los fabricantes buscan reducir la tasa de fallos a partes por mil millones (ppb). Sin embargo, para los usuarios, un accidente que ocurre «uno entre mil millones» sigue siendo un fallo del 100 %. Cada accidente sirve como advertencia y proporciona datos para la optimización, como hizo Tesla al mejorar su sistema de gestión de baterías (BMS) tras detectarse combustiones espontáneas tempranas; los fabricantes chinos de automóviles y baterías también están siguiendo un camino similar de aprendizaje y mejora.

Fuente: https://baonghean.vn/an-toan-pin-xe-dien-danh-doi-giua-mat-do-va-sac-nhanh-10310036.html