No Tesla Battery Day 2020 , a Tesla lançou sua revolucionária bateria de íon-lítio 4680, assumindo a liderança na corrida para a construção de baterias de grande capacidade. Na foto abaixo, você pode ver as principais características da Tesla 4680 projetadas na tela atrás de Elon Musk, durante o evento. O nome 4680 indica seu formato cilíndrico, com 46 mm de diâmetro e 80 mm de comprimento.
O Tesla 4680 fornece 5 vezes mais energia e 6 vezes mais potência do que seu antecessor imediato no portfólio Tesla, a bateria 2170. Com o 4680, a Tesla espera um aumento de 16% na gama de veículos. E ainda por cima, o 4680 foi projetado como um componente estrutural da bateria. Isto significa que a bateria irá absorver algumas das cargas estruturais do carro, conseguindo assim uma leveza geral.
Então, como a Tesla conseguiu um aumento de desempenho tão grande? Será este o futuro dos veículos elétricos Tesla? Quanto isso vai custar? Quem são os outros jogadores no grande espaço da bateria? Para responder a essas perguntas e muito mais, vamos nos aprofundar nos aspectos técnicos da bateria 4680.
Principais recursos da bateria 4680 da Tesla
Tamanho grande, mais potência
A primeira e mais óbvia característica da bateria é seu grande tamanho. O volume da 4680 é cinco vezes e meia maior que o da 2170. Isso permite acomodar um Jelly Roll maior . Em termos de baterias, um Jelly Roll é um rolo cilíndrico multicamadas formado por gel eletrolítico colocado entre camadas de cátodo, separador e ânodo. Um Jelly Roll maior aumenta a quantidade de portadores de carga ativos e a área da superfície dos eletrodos. Isso se traduz em maior armazenamento e fornecimento de energia por célula. A Figura 2 ilustra o conceito de Jelly Roll.
Bateria para tablets
A bateria Tesla 4680 utiliza um design patenteado sem abas , que reduz drasticamente a resistência elétrica interna. As abas são peças ou tiras metálicas condutoras soldadas às folhas dos eletrodos do ânodo e do cátodo. A Figura 3 ilustra uma bateria com duas abas.
As guias são as junções por onde os elétrons fluem entre o circuito externo e os eletrodos da bateria. Durante o carregamento, os átomos de lítio incorporados na folha catódica enrolada liberam elétrons. Da mesma forma, durante a descarga celular, os átomos de lítio embutidos na folha anódica do Jelly Roll liberam elétrons. Em ambos os casos, esses elétrons devem se deslocar até as respectivas Abas, para entrar no circuito externo.
O desafio das baterias grandes é que um caminho mais longo para os elétrons gera mais calor e queda de tensão devido à resistência ôhmica. Os projetistas de baterias experimentaram várias guias espaçadas para mitigar esse problema. No entanto, estes são difíceis de fabricar e aumentam os riscos de danos aos eletrodos durante a soldagem. Tesla encontrou uma solução engenhosa para isso, eliminando completamente as guias! Em vez disso, a bateria 4680 possui tiras condutoras que percorrem todas as bordas das folhas do ânodo e do cátodo, conforme representado na Figura 4.
Desta forma, uma borda inteira das folhas do ânodo e do cátodo pode desempenhar a mesma função que as abas, reduzindo drasticamente a resistência elétrica e a geração de calor.
Nova Química
A Tesla anunciou que a bateria 4680 terá uma nova composição química para melhorar significativamente o desempenho e reduzir os custos. No futuro, o cátodo não utilizará a fórmula comprovada de óxido de lítio com 80% de níquel, 10% de cobalto e 10% de manganês (chamada NMC-811). Em vez disso, as baterias 4680 terão cátodos com um teor de níquel muito maior e um teor de cobalto menor. A composição alvo do cátodo é NMC 955, que consiste em 90% de níquel e 5% de manganês e cobalto. Um teor de níquel mais elevado melhora a densidade de energia, embora introduza problemas de estabilidade do eletrodo, que a Tesla pode ter superado. A redução do teor de cobalto é necessária para diminuir a dependência da região do Congo, que fornece 70% do cobalto mundial. Isso também reduzirá os custos do cátodo.
As melhorias de Tesla na química do ânodo envolvem a substituição substancial ou completa do grafite por silício metalúrgico bruto. Como o silício do grau exigido é abundante na crosta terrestre e relativamente barato, a mudança para o silício reduzirá o custo dos ânodos. O problema com os ânodos de silício é a sua expansão de volume quando os átomos de lítio entram no ânodo durante os ciclos de carga e descarga. Isso eventualmente destrói o eletrodo. No entanto, dados os seus anúncios, a Tesla parece ter encontrado uma solução.
No geral, a Tesla espera custos reduzidos de bateria e maior autonomia devido a essas inovações químicas.
Caixa de aço mais espessa
A Tesla usou uma caixa de aço muito mais espessa para o 4680 em comparação com o seu equivalente 2170. Isso pode ocorrer porque essas baterias serão instaladas em um conjunto de baterias estrutural e deverão suportar cargas mecânicas mais elevadas. Também se pode ver isto como uma proteção adicional contra danos por impacto.
Prós e Contras
Embora alguns dos anúncios da Tesla possam ser apenas jogadas de marketing, o fato é que, em janeiro de 2022, a empresa já havia produzido um milhão de células da bateria 4680. Em uma teleconferência sobre os resultados do primeiro trimestre de 2023, realizada no ano passado, a Tesla confirmou o progresso na construção da Gigafábrica no Texas, que fabricará células 4680 de segunda geração. Isso a torna líder incontestável no mercado de baterias 4680.
Muitos dos principais fabricantes de baterias estão desenvolvendo projetos de baterias no formato 4680, e alguns já estão investindo em produção em larga escala. Portanto, a bateria 4680 vai revolucionar o mundo dos veículos elétricos em breve. O que isso significa para o consumidor comum? Com base no que sabemos até o momento, vamos analisar os prós e os contras.
Prós
- O 4680 da Tesla promete oferecer maior quilometragem e custos reduzidos por kWh devido ao aumento da densidade de energia, melhor química da bateria e leveza geral do veículo devido ao design estrutural da bateria.
- Espera-se que o Tesla 4680 dure pelo menos um milhão de milhas, o que é muito mais do que o usuário médio dirigirá durante a vida útil do carro.
- O design da bateria incorpora recursos de segurança aprimorados, como melhor dissipação de calor e risco reduzido de defeitos de fabricação devido ao design do Tabless.
- A Tesla já produziu vários milhões de células 4680 de primeira geração e ganhou valiosa experiência de fabricação e operação com esta nova bateria. Sua gigafábrica no Texas fornecerá versões melhoradas do 4680. O design da bateria está amadurecendo, o que reduz o risco de propriedade ou investimento.
Contras
- Atualmente, o 4680 é destinado apenas ao novo Tesla Model Y com preço em torno de US$ 60,000 mil. Isso pode não ser acessível para muitos.
- As afirmações feitas em relação à química das novas baterias não foram implementadas na primeira geração de baterias 4680, que parecem ser NMC 811 e Grafite. Pode levar algum tempo para que as células 4680 com alto teor de níquel e alto silício da Tesla sejam lançadas no mercado.
- Os concorrentes podem apresentar designs de bateria 4680 melhores, bem como outras opções, incluindo baterias de íon de sódio ou de estado sólido.
Evolução da célula de bateria cilíndrica
Na Palestra Nobel de Akira Yoshiro proferida em 2019, ele traça a evolução da tecnologia das baterias de íons de lítio. A década de 1990 viu a introdução dos telefones celulares, que se tornaram uma excelente opção para as recém-inventadas baterias de íons de lítio, leves e com alto consumo de energia. Os mercados iniciais foram inteiramente no segmento de eletrônicos pessoais, até o ano de 2010, quando foram introduzidos no mercado de veículos elétricos. A Figura 5, citada em sua palestra, ilustra o crescimento do mercado de baterias de íons de lítio desde 2010. Você pode ver como se projeta que os veículos elétricos dominarão dramaticamente a participação de mercado até 2025.
O primeiro carro elétrico a ser lançado comercialmente com baterias de íons de lítio foi o Nissan Leaf. O modelo de primeira geração esteve em produção de 2010 a 2017. Usava células planas de íons de lítio laminadas. Na terminologia da bateria, este é o “formato Bolsa”. O mais recente Nissan Leaf continua a usar baterias do tipo bolsa.
Os três formatos de bateria usados atualmente pelos fabricantes de carros elétricos são os tipos Bolsa, Prismática e Cilíndrica. No ano de 2020, a participação de mercado de cada tipo de bateria na categoria de veículos de passageiros foi Prismática ~ 40%, Bolsa ~ 35% e Cilíndrica ~ 15% .
Tesla foi a primeira a usar a célula cilíndrica de íons de lítio em seus veículos elétricos. Eles começaram com o Panasonic 18650, relativamente barato, mas comprovado, e depois mudaram para o formato 2170. Agora eles estão fazendo a transição para a célula 4680, muito maior. Outros fabricantes como BMW e CATL adotaram posteriormente baterias cilíndricas. No entanto, o impulsionador do mercado é a Tesla e a evolução das baterias cilíndricas de iões de lítio reflete a evolução da Tesla. A Figura 6 mostra exemplos de baterias cilíndricas que impulsionam o crescimento da Tesla.
Para os consumidores, o que importa em última análise é a economia e a conveniência da propriedade. A Tesla é a maior fabricante mundial de veículos elétricos e seu caminho para o sucesso envolveu o uso de baterias cilíndricas de íons de lítio. Então, vamos comparar as três células cilíndricas que alimentam os carros Tesla, do ponto de vista do consumidor.
Bateria 4680 versus bateria 18650
Como a bateria Tesla maior e mais jovem se compara às suas contrapartes menores e mais antigas? Para responder a isso, vamos comparar as baterias 4680 e 18650:
| Parâmetro | 4680 | 18650 | Observações |
|---|---|---|---|
| Capacidade (máxima) | 25000 mAh | 3500 mAh | Devido ao mAH mais alto, o 4680 durará mais tempo entre as recargas |
| Densidade de energia (célula) | 276 a 333 wh/kg | 250 wh/kg | 4680 pode fornecer mais potência. |
| Dimensões: | 46 mm de diâmetro. x 80 mm altura. | 18 mm de diâmetro. x 65 mm altura. | Devido ao tamanho maior, o 4680 contém um Jelly Roll maior e pode armazenar mais energia |
| Espessura da parede da caixa de aço | 0.5-0.6 mm | 0.22 para 0.28 mm | 4680 tem maior resistência mecânica para suportar choques |
| ciclo de vida | 1000-2000 | 1500-4000 | 4680 tem ciclo de vida menor que 18650, mas exigirá carregamentos menos frequentes |
| Peso líquido (máximo) | 355 gms | 50 gms | O 4680 é mais pesado e adequado para carros maiores. |
Bateria 4680 versus bateria 2170
Como a bateria 2170 é a antecessora imediata da 4680 na história evolutiva de Tesla, a comparação abaixo deve ser interessante:
| Parâmetro | 4680 | 2170 | Observações |
|---|---|---|---|
| Capacidade (máxima) | 25000 mAh | 5600 mAh | Devido ao mAH mais alto, o 4680 durará mais tempo entre as recargas |
| Densidade de energia (célula) | 276 a 333 wh/kg | 276 a 300 wh/kg | A diferença não é muita. |
| Dimensões: | 46 mm de diâmetro. x 80 mm altura. | 21 mm de diâmetro. x 70 mm altura. | Devido ao seu tamanho maior, o 4680 contém um Jelly Roll maior e pode armazenar mais energia |
| Espessura da parede da caixa de aço | 0.5-0.6 mm | 0.22 para 0.34 mm | 4680 tem maior resistência mecânica para suportar choques |
| ciclo de vida | 1000-2000 | 1500 | Ciclo de vida semelhante |
| Peso líquido (máximo) | 355 gms | 70 gms | O 4680 é mais pesado e adequado para carros maiores. |
Conclusão
A nova bateria 4680 lançada pela Tesla é de fato uma virada de jogo devido à sua potência e alcance aprimorados. Os recursos de segurança agora são melhores. O fator chave será o custo da bateria, que depende da incorporação bem-sucedida de custos mais baixos de cátodos e ânodos