Celdas de litio: diferencias, usos y cómo elegir las mejores

En la actualidad, las celdas de litio se han convertido en uno de los componentes más importantes en el mundo de la tecnología y la energía. Su alta densidad de energía, vida útil prolongada y capacidad de carga rápida las han posicionado como una opción líder en una amplia gama de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos hasta vehículos eléctricos.

Sin embargo, a medida que aumenta la demanda de celdas de litio, también crece la variedad de opciones disponibles en el mercado. Comprender las diferencias entre ellas y saber cómo elegir las mejores para cada caso se vuelve fundamental.

En este artículo, exploramos las celdas de litio, sus diferencias, usos y cómo elegir las mejores.

Tipos de celdas de litio más comunes

Las celdas adoptan distintas formas físicas, que determinan la estructura y el diseño, lo que a su vez afecta sus características eléctricas y mecánicas de las baterías de litio.

Los formatos principales son: cilíndrico, de lámina o prismáticas.

Celdas cilíndricas

Muy similares a los mandos de casa, las celdas cilíndricas tienen justamente una forma de cilindro. La celda 18650, con un diámetro de 18 mm y una altura de 65 mm, es uno de los formatos más comunes y ampliamente utilizados en la industria de las baterías.

Ventajas de las celdas cilíndricas

Las celdas cilíndricas de iones de litio ofrecen varias ventajas, entre las cuales destacan:

• Carcasa duradera: Las celdas cilíndricas están diseñadas con una carcasa metálica resistente, generalmente de acero inoxidable. Esta carcasa proporciona una protección robusta para los componentes internos de la celda, lo que las hace más duraderas y capaces de soportar condiciones adversas, como golpes, vibraciones y altas temperaturas. Esto es especialmente importante en aplicaciones donde se requiere resistencia mecánica y protección adicional.

• Flexibilidad en la química de la celda: Las celdas cilíndricas permiten la opción de cambiar la química interna de la celda manteniendo el mismo mecanismo de contención. Esto significa que los fabricantes pueden ajustar la composición química de la celda para mejorar su rendimiento, capacidad o seguridad, sin necesidad de rediseñar completamente la carcasa o el sistema de contención. Esto proporciona flexibilidad y adaptabilidad a diferentes requisitos y avances en la tecnología de las baterías de litio.

• Amplia disponibilidad: Las celdas cilíndricas de iones de litio, especialmente los formatos estándar como la celda 18650, son ampliamente disponibles en el mercado. Esto facilita su acceso y adquisición para su uso en una variedad de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta vehículos eléctricos. La disponibilidad generalizada de estas celdas cilíndricas contribuye a su popularidad y facilidad de integración en diversos sistemas y productos.

Celdas cilíndricas

Desventajas de las celdas cilíndricas.

Es cierto que las celdas cilíndricas de iones de litio también presentan algunas desventajas. Aquí se enumeran algunas de ellas:

• Baja capacidad de las celdas individuales: Las celdas cilíndricas de iones de litio tienen una capacidad individual relativamente baja en comparación con otros formatos de celdas de litio. Por ejemplo, las celdas cilíndricas más comunes, como la 18650, alcanzan una capacidad máxima de alrededor de 3Ah. Esto puede limitar la cantidad de energía almacenada en cada celda y requerir la utilización de múltiples celdas en serie o paralelo para alcanzar la capacidad deseada.

• Ensamblaje mediante soldadura: En la construcción de los paquetes de baterías que utilizan celdas cilíndricas, las celdas individuales se ensamblan en serie y en paralelo mediante soldadura. Esto implica un proceso más complejo y costoso en comparación con otros métodos de conexión, como las celdas prismáticas que pueden ser conectadas mediante conectores flexibles o soldadura láser. Además, la soldadura dificulta la sustitución de celdas individuales en caso de fallo, ya que generalmente se requiere el reemplazo de todo el módulo.

• Disminución de la seguridad del paquete: La naturaleza en serie y paralelo de muchas celdas cilíndricas en un paquete de baterías puede resultar en una disminución de la seguridad del sistema en su conjunto. Si una celda individual falla, puede afectar el rendimiento y la estabilidad de todo el paquete. Además, la falta de reemplazo individual de celdas puede generar un riesgo mayor en términos de seguridad, ya que se requiere el reemplazo completo del módulo en caso de fallo de una celda.

La mayoría de los ensambladores de baterías de iones de litio colocan varias celdas en paralelo para lograr la capacidad deseada: por ejemplo, para lograr una capacidad de 200 Ah usando celdas de 2,5 Ah, se deben colocar 80 celdas en paralelo, todas estas celdas conectadas en paralelo.
Si por un problema interno se produce uno de estos cortocircuitos, no sólo absorberá su propia energía sino que deberá disipar en paralelo toda la energía de las 80 celdas cilíndricas. Esto podría resultar en un calor muy alto en el módulo, con efectos desastrosos como un incendio.
Para evitarlo, grandes fabricantes como Tesla utilizan procesos de producción muy sofisticados que permiten conectar las celdas en paralelo mediante una especie de fusible. Si una celda hace cortocircuito, el «fusible» se quema y la seguridad del paquete de baterías no se ve comprometida.

Lamentablemente, ninguno de los fabricantes de baterías de iones de litio del mercado industrial cuenta con este tipo de tecnología. Como consecuencia de estos aspectos negativos, evitamos este tipo de celdas en NCPOWER.

Celdas laminadas, qué son y sus ventajas e inconvenientes

Las celdas laminadas o de bolsa son un tipo de celda de litio que se diferencia de las celdas cilíndricas en su formato y construcción. En lugar de tener una carcasa cilíndrica metálica, estas celdas están compuestas por una lámina flexible que actúa como el contenedor y separador de los componentes internos.

En las celdas laminadas, los componentes activos, como el cátodo, el ánodo y el electrolito, se colocan entre dos capas de material flexible, generalmente polímeros laminados como el poliéster o el polímero de poliolefina. Estas capas flexibles sellan los componentes y evitan fugas o reacciones no deseadas. A su vez, se utilizan capas adicionales de sellado para proteger la celda de la humedad y el aire externo.

Ventajas de las celdas de bolsa

Las celdas laminadas o de bolsa de litio ofrecen ciertos aspectos positivos en su tecnología. Algunos de ellos son:

• Alta densidad de energía: Las celdas de bolsa tienen una alta densidad de energía, lo que significa que pueden almacenar una gran cantidad de energía en un tamaño relativamente pequeño. Esto es especialmente importante en aplicaciones donde se requiere una larga duración de la batería o una alta potencia, como en vehículos eléctricos o dispositivos electrónicos portátiles.

• Bajo costo de la carcasa: En comparación con las celdas cilíndricas, las celdas de bolsa suelen tener un costo de carcasa más bajo. Esto se debe a que el proceso de fabricación de las celdas de bolsa es menos complejo y utiliza materiales menos costosos en comparación con las carcasas metálicas de las celdas cilíndricas. Como resultado, las celdas de bolsa pueden ofrecer una solución más económica para el almacenamiento de energía.

• Rango de capacidad disponible: En el mercado, hay una variedad de celdas de bolsa disponibles con diferentes capacidades. Van desde unos pocos cientos de mAh (miliamperios-hora) hasta alrededor de 20 Ah, aunque son menos comunes los fabricantes que superan este umbral. Esto brinda a los diseñadores y fabricantes una gama de opciones para adaptarse a diferentes requisitos de energía y tamaño de la aplicación.

Ejemplo de celdas de bolsa

Desventajas de las celdas de bolsa

Las celdas laminadas o de bolsa de litio presentan algunos aspectos negativos asociados a su fragilidad y limitaciones en cuanto a empaquetamiento y capacidad. 

A continuación, se detallan algunos de estos aspectos:

• Fragilidad de la carcasa: La carcasa de las celdas de bolsa es más susceptible a daños y roturas en comparación con las celdas cilíndricas, ya que está compuesta por materiales flexibles. Incluso una presión leve, como el uso de una uña, puede dañar irreversiblemente la carcasa. Esto puede ser problemático en entornos donde la batería está expuesta a impactos o condiciones adversas.

• Limitaciones en el sistema de empaquetamiento: El empaquetamiento de las celdas de bolsa requiere un diseño cuidadoso para evitar cualquier tipo de estrés o deformación en las células individuales. Las vibraciones, el aplastamiento o la deformación pueden comprometer la integridad de las celdas y afectar su rendimiento y vida útil. Además, debido a la naturaleza flexible de las celdas de bolsa, puede ser complicado, o incluso imposible, desarrollar módulos a medida para aplicaciones específicas.

• Capacidad media-baja: Las celdas de bolsa tienden a tener una capacidad media-baja en comparación con otros formatos de celdas de litio. Esto significa que se requerirían varias celdas en paralelo para lograr una capacidad suficiente en aplicaciones industriales. Sin embargo, esto puede afectar la seguridad del paquete de baterías y aumentar la complejidad del sistema de gestión y equilibrio de carga.

• Dificultad en el reemplazo individual de celdas: Al igual que las celdas cilíndricas, las celdas de bolsa también están conectadas en serie o en paralelo mediante soldadura. Esto hace que sea prácticamente imposible reemplazar una celda individual sin tener que sustituir todo el módulo completo. Esto puede resultar costoso y generar tiempo de inactividad en caso de fallo de una celda.

Celdas prismáticas

Otro formato común entre las celdas de baterías de litio son las de tipo prismático. Destacan principalmente por tener una carcasa sólida y terminales soldados.

Ventajas de las celdas prismáticas

Las celdas prismáticas ofrecen varias ventajas importantes en comparación con otros formatos de celdas de litio. A continuación, se detallan algunas de estas ventajas:

• Carcasa duradera: Las celdas prismáticas tienen una carcasa sólida y duradera, lo que las hace adecuadas para la producción de paquetes de baterías personalizados. Su robustez les permite soportar condiciones adversas y minimiza la necesidad de estudios y pruebas de estrés mecánico costosos y complicados.

• Alta capacidad de los elementos individuales: Las celdas prismáticas pueden alcanzar altas capacidades en los elementos individuales, llegando hasta 300 Ah en una sola celda. Esta alta capacidad es especialmente valiosa en la creación de baterías con grandes capacidades, como en el mercado industrial, evitando la necesidad de utilizar múltiples celdas en paralelo. Esto no solo simplifica el diseño y el montaje, sino que también mejora significativamente la seguridad de todo el paquete de baterías.

• Postes de tornillo: Las celdas prismáticas a menudo tienen postes de tornillo en sus terminales, lo que facilita su montaje y permite la sustitución de elementos de forma más conveniente, incluso in situ. Esto reduce la complejidad y el tiempo de mantenimiento en caso de fallo de una celda, ya que es posible reemplazarla sin tener que desmontar todo el paquete de baterías.

Estas ventajas hacen de las celdas prismáticas una opción atractiva para diversas aplicaciones, especialmente aquellas que requieren una alta capacidad y un montaje personalizado. Sin embargo, también es importante considerar las limitaciones y desafíos asociados con este formato de celdas.

Desventajas de las celdas prismáticas

Una de las desventajas de las celdas de litio prismáticas es que su densidad de alta energía puede ser ligeramente inferior en comparación con otros formatos de celdas, como las celdas cilíndricas. Esto se debe en parte al tipo de caja de contención utilizado en las celdas prismáticas.

La carcasa sólida y resistente de las celdas prismáticas, aunque ofrece ventajas en términos de durabilidad y facilidad de montaje, puede ocupar un espacio adicional en comparación con las celdas cilíndricas, lo que puede afectar la densidad de energía de la batería en general. Esto significa que se requiere un volumen ligeramente mayor para almacenar la misma cantidad de energía en comparación con las celdas cilíndricas de dimensiones similares.

No obstante, es importante tener en cuenta que las celdas prismáticas siguen siendo capaces de proporcionar niveles significativos de energía y capacidad, y son ampliamente utilizadas en una variedad de aplicaciones. La elección del formato de celda adecuado dependerá de las necesidades específicas de la aplicación, considerando factores como la capacidad requerida, el espacio disponible, el diseño del paquete de baterías y otros requisitos técnicos y de rendimiento.

Ejemplo de celdas prismáticas

	Cilíndricas	De bolsa	Prismáticas
Ventajas	Carcasa duraderaFlexibilidad en la química de la celdaAmplia disponibilidad	Alta densidad de energíaBajo coste de la carcasaRango de capacidad disponible	Carcasa duraderaAlta capacidad de los elementos individualesPostes de tornillo
Inconvenientes	Baja capacidad de las celdas individualesEnsamblaje mediante soldaduraDisminución de la seguridad del paquete	Fragilidad de la carcasaLimitaciones en el sistema de empaquetamientoCapacidad media-bajaDificultad en el reemplazo individual de las celdas	La  densidad de energía es ligeramente inferior debido a la caja de contenciónVolumen y tamaño de la bateria superior
Usos	Las celdas cilíndricas  se utilizan normalmente en  baterías de litio pequeñas  (<2kWh), por ejemplo, bicicletas eléctricas, destornilladores, herramientas de jardinería, etc.). Solo Tesla los utiliza en el sector de la automoción	Las celdas de bolsa  se producen principalmente utilizando química NMC y se utilizan especialmente en   aplicaciones de alta potencia (alto voltaje y bajas capacidades) o en aplicaciones donde se requiere una reducción de volumen, por ejemplo, motocicletas eléctricas o automóviles eléctricos.	Las celdas prismáticas  se utilizan para baterías de litio en el sector industrial  y en la  industria automotriz para producir paquetes de baterías medianos y grandes.

¿Cuáles son las mejores para vehículos eléctricos?

NCPOWER ha elegido celdas prismáticas  para sus baterías precisamente por sus grandes ventajas. Estas celdas ofrecen una buena relación entre densidad de energía y densidad de potencia, lo que las hace adecuadas para aplicaciones que requieren altas capacidades y una entrega de energía sostenida.

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