Batería 4680
# Batería 4680

La batería 4680 es una batería desarrollada por Tesla desde 2019. Se trata de una celda cilíndrica de iones de litio con un diámetro de 46 mm y una longitud de 80 mm. Es mayor que la batería 2170 o la 18650 que Tesla utilizaba anteriormente. Tiene una densidad energética significativamente mayor, ofrece propiedades superiores de generación y transferencia de calor en comparación con los diseños de celdas electroquímicas convencionales, menor resistencia interna, mayor rapidez de carga y una mayor resistencia a las deformaciones mecánicas. La batería 4680 puede realizar unos 1500 ciclos de carga y descarga y mantener la mayor parte de su capacidad original. El 4 de noviembre de 2019 Tesla solicitó la patente titulada «Cell with a tabless electrode» (celda con un electrodo sin pestaña) y el 7 de mayo de 2020 se publicó como patente estadounidense.

En 2020 Tesla comenzó a fabricarla en su fábrica piloto de Kato Road, Fremont, California, Estados Unidos. A finales de 2022 Tesla comenzó a fabricar baterías 4680 en Austin, Texas, y en Berlín, Alemania.

## Historia

Tesla adquirió Grohmann Automation y aplicó su tecnología en las líneas de producción de baterías en la Gigafactoría 1 de Sparks, Nevada. En febrero de 2019 Tesla compró la compañía de baterías Maxwell por más de 200 millones USD. La compañía era conocida por fabricar ultracondensadores, pero disponía de una tecnología de electrodos secos para usarlos en baterías de iones de litio.

En 2019 Tesla compró la empresa canadiense Hibar Systems especializada en la fabricación de precisión de baterías pequeñas mediante un sistema de inyección altamente mecanizado.

Entonces Tesla preveía una enorme demanda de baterías. El 21 de septiembre de 2020 Elon Musk tuiteó:

El 22 de septiembre de 2020 Elon Musk tuiteó:

En el Tesla Battery Day de 2020, Tesla anunció la batería 4680 como un nuevo formato que revolucionaría la industria reduciendo los costes en casi un 50%. Inició su producción en una línea piloto en Kato Road, Fremont, California, con una capacidad de producción anual futura de 10 GWh. Tesla pronosticó que las fábricas posteriores tendrían una capacidad de producción anual de unos 200 GWh o superior.

En 2020 Elon Musk reiteró la necesidad de la integración vertical de Tesla:

En la exposición de resultados del tercer trimestre de 2022 el CFO de Tesla, Zachary Kirkhorn afirmó que habían triplicado la fabricación de 4680 con respecto al segundo trimestre y estaban fabricando celdas suficientes para 1000 coches a la semana. Eso supondría una producción anualizada de 3 GWh.

El 25 de diciembre de 2022 Tesla anunció que había fabricado 868 000 celdas 4680 en una semana, suficientes para 1000 coches.

A finales de 2022 Tesla comenzó a fabricar baterías 4680 en Austin, Texas y en Berlín, Alemania y comenzó a instalarlas en algunos Tesla Model Y.

## Patente

El 4 de noviembre de 2019 Tesla solicitó la patente titulada «Cell with a tabless electrode» (celda con un electrodo sin pestaña) en la que se citaron como inventores a Kunio Tsuruta, Mikel Ehrlich Dermer y Rajeev Dhiman. El 7 de mayo de 2020 se publicó como patente estadounidense US-20200144676-A1.

En la patente se menciona:

   $P≈I^2$ R
   $P≈I^2$ R

## Especificaciones

En el Tesla Battery Day del 22 de septiembre de 2020, Tesla anunció la batería 4680 con las siguientes características:

* Celda cilíndrica de iones de litio con un diámetro de 46 mm y una longitud de 80 mm.
* Elimina las pestañas o lengüetas. Esto quita el proceso de colocación de pestañas y reduce los defectos de fabricación. Los electrones circulan mejor que en las celdas 2170 porque tienen 5 veces menos camino que recorrer. Reduce la resistencia interna, que se traduce en menor generación de calor y posibilidad de cargar a mayor potencia (necesaria para cargar a 1 MW el Tesla Semi y el Tesla Cybertruck).
* Aumenta la densidad energética. Multiplica por 5 la energía almacenada.
* Mantiene las características térmicas de las baterías más pequeñas.
* Mejora la relación potencia/peso. Aumenta la potencia 6 veces para el mismo peso.
* Simplifica su fabricación.
* Reduce costes de forma significativa.
* Aumenta en un 16% la autonomía del vehículo con el mismo peso de baterías.
* Nuevo proceso para estabilizar la superficie del silicio con un recubrimiento de polímero conductor de iones elástico. Aumenta la autonomía un 20% adicional. Reduce un 5% el coste del paquete de baterías.
* Simplificación del proceso de producción de cátodos. Los cátodos de alto contenido en níquel eliminan la necesidad de incorporar cobalto, que presenta graves problemas en su minado, refinado y uso. Mejora el coste del cátodo en un 76% por kWh. El proceso tiene un consumo de agua neutro.

En un estudio independiente de unidades producidas en 2022 los parámetros analizados en la 4680 fueron:

* Diámetro: 46 mm
* Altura: 80 mm
* Volumen: 0.133 litros
* Envoltura de acero niquelado o inoxidable de 0.5 a 0.6 mm
* Voltaje nominal: 3.7 V
* Energía nominal: 86.5 Wh
* Peso: 0.355 kg
* Capacidad estimada: 26.5 Ah
* Capacidad: 23.35 Ah a 2.5 A descarga ~C/10
* Capacidad: 20 Ah a 25 A descarga ~1C
* Densidad energética por peso: 244 Wh/kg
* Densidad energética por volumen: 650 Wh/litro
* Cátodo: NMC811. Níquel: 81%, Cobalto: 12%, Manganeso: 7%.
* Grosor del cátodo: 85 µm
* Grosor del colector de aluminio del cátodo: 9 a 10 µm
* Grosor del disco final del cátodo: 400 µm
* Ánodo de carbón sin silicio
* Grosor del ánodo:~121 µm
* Grosor del colector de corriente de cobre: 6 a 8 µm
* Grosor del disco final del ánodo: 260 µm

## Características

En cuanto a la longevidad, Maxwell indicó que su tecnología de baterías retenía el 90% de la capacidad tras 1500 ciclos de carga-descarga. Un usuario medio de un coche Tesla completa un ciclo en una semana, por lo que la batería podría usarse durante 30 años perdiendo un 10% y manteniendo un 90% de su capacidad original.

Maxwell afirmó que su tecnología de electrodos permitía una densidad energética de más de 300 Wh/kg en 2019 y preveía un camino para llegar a 500 Wh/kg en el futuro.

El diseño sin pestaña permite que las celdas de mayor diámetro tengan unas características térmicas similares a las de menor diámetro. Éstas tienen dificultades para disipar el calor por las cargas a alta potencia. La 4680 se puede cargar a mayor potencia y por tanto más rápido. Esto es clave para los vehículos con baterías muy grandes como el Tesla Semi, Tesla Cybertruck (que cargan hasta 1 MW de potencia) o el Tesla Roadster.

## Manufactura

La fabricación de las celdas de baterías como la 2170 usa el proceso de recubrimiento húmedo tradicional. Para el recubrimiento de los electrodos se mezclan los materiales con solventes tóxicos. Los electrodos una vez recubiertos se secan en unos enormes hornos, donde los solventes se evaporan, se recuperan, se tratan y se reciclan.

Con la nueva tecnología 4680 los electrodos se recubren con materiales diferentes que requieren mucho menos líquido y por tanto no precisan secarse en hornos, siendo el proceso más rápido y barato y menos perjudicial para el medio ambiente.

La fabricación con recubrimiento seco elimina muchas partes del proceso y podría bajar el coste del paquete de baterías de un Tesla Model Y hasta los 5000 o 5500 USD.

En febrero de 2019 Tesla compró la compañía de baterías Maxwell por más de 200 millones USD. La compañía era conocida por fabricar ultracondensadores, pero disponía de una tecnología de electrodos secos para usarlos en baterías de iones de litio. Maxwell describió su tecnología en el documento «Dry Electrode Coating Technology»:

Maxwell convertía un polvo en una lámina de electrodo que se enrollaba para formar una celda.

Proceso de manufactura de la batería 4680:

    1. Fabricar una bobina de banda de cátodo con aluminio dejándolo al descubierto en un borde.
    2. Fabricar una bobina de banda de ánodo con cobre dejándolo al descubierto en un borde.
    3. Cortar con láser los bordes de aluminio y cobre para formar las pestañas en las bandas de cátodo y ánodo.
    4. Enrollar las bandas de ánodo, cátodo y separadores en un rollo.
    5. Plegar las pestañas de cátodo y ánodo hacia el eje del rollo.
    8. Soldar el disco de aluminio a las pestañas del cátodo.
    9. Soldar el disco de cobre a las pestañas del ánodo.
    10. Encajar el botón positivo a la lata con un anillo aislante. (Puede venir pre-ensamblado).
    11. Meter el rollo en la lata y soldar el disco del cátodo al borne positivo a través del agujero del disco de cobre del ánodo.
    12. Soldar el disco de aluminio del ánodo al interior de la lata.
    13. Colocar un disco de cierre de la lata con un agujero en el centro.
    14. Llenar la lata con electrolito a través del agujero central de la tapa de cierre de la lata.
    15. Cerrar/soldar el agujero del disco de cierre de la lata.

## Costes

En el Tesla Battery Day del 22 de septiembre de 2020, Tesla anunció las mejoras de costes de la batería 4680:

* 14% de reducción por kWh debida a la nuevas dimensiones y geometría de la celda.
* 18% de reducción por kWh debida a la reducción de 10 veces en la dimensión de la fábrica y de 10 veces en el consumo energético. El proceso propietario de Maxwell Technologies presiona el polvo de batería en una película que se enrolla para fabricar la celda.
* 5% de reducción por kWh por el aumento de silicio en las celdas.
* 12% de reducción por kWh debido a las mejoras en el cátodo.
* 7% de reducción por kWh en el coste del paquete de baterías como resultado del diseño de batería estructural en el vehículo.
* 56% de reducción por kWh acumulando todos los ahorros.

La batería 4680 tiene 5.5 veces el volumen de una 2170. Con las baterías 2170 un Tesla Model Y necesitaba 4400 celdas, y cada celda tenía 4 soldaduras. Con las baterías 4680 necesitaba 830 celdas y cada una solo precisaba 2 puntos de soldadura. Por tanto, los puntos de soldadura pasaban de 17 600 a 1660 con unos ahorros de costes muy significativos. El uso de las baterías en un paquete estructural rebajaría el peso en unos 25 kilos por paquete. En 2020 Elon Musk afirmó que la 4680 afectaría a la producción a largo plazo de los vehículos Tesla, especialmente Semi, Cybertruck y Roadster.

