Densidad energética frente a densidad de potencia: Cómo elegir la celda de batería adecuada para su aplicación

Respuesta rápida: Elegir la celda de batería adecuada significa resolver al mismo tiempo la densidad energética (Wh/kg) y la densidad de potencia (tasa C continua y de pico), en lugar de elegir primero una química por su autonomía y comprobar después la tasa de descarga. Una celda que gana en Wh/kg puede aun así fallar en misión si su corriente continua o de pico no cubre la carga, y la solución pasa por el formato de la celda, el número de ramas en paralelo a nivel de pack y los límites de corriente del BMS, no solo por la ficha técnica de la celda.

Un ingeniero que dimensiona un pack de baterías suele partir de dos cifras: un objetivo de tiempo de vuelo o ciclo de trabajo, y un requisito de corriente de pico para el arranque del motor o un pico de carga. El error habitual es tratar ambos como dos búsquedas independientes en la ficha técnica. Elegir una química por la densidad energética y comprobar después si la tasa C es "suficiente".

Esa secuencia es la razón por la que los packs acaban con sobrepeso o, peor aún, limitados por caída de tensión bajo carga real. Una tasa C continua o de pico infradimensionada no se detecta en el banco de pruebas. Aparece en plena misión, en forma de caída de tensión o corte térmico, justo cuando el sistema necesita toda la potencia. Un Wh/kg infradimensionado no se detecta hasta la integración, en forma de un déficit de tiempo de vuelo o de carga útil descubierto demasiado tarde para corregirlo de forma económica. Ambos fallos tienen la misma causa raíz: tratar la densidad energética y la densidad de potencia como dos elementos independientes de una lista de comprobación, en lugar de dos restricciones derivadas de un mismo perfil de misión.

Dos restricciones, un solo perfil de misión

La densidad energética (Wh/kg) indica cuánta energía almacena una celda por unidad de masa. La densidad de potencia (W/kg, o de forma más práctica, la corriente de descarga continua y de pico) indica la velocidad a la que esa energía puede salir de la celda. La energía es igual a la potencia multiplicada por el tiempo, y para una química y un formato dados, ganar en uno normalmente cuesta algo del otro.

Ese compromiso es real, pero no es lineal ni absoluto, lo que explica precisamente por qué una simple búsqueda en la ficha técnica no basta. Esto es lo que representa un diagrama de Ragone: la densidad energética en un eje, la densidad de potencia en el otro, y cada celda situándose como un punto en la curva entre ambos. Pocas guías de compra sobre este tema aprovechan uno, lo cual merece la pena hacer aquí, porque el diagrama es el modelo mental adecuado para una decisión que, en el fondo, trata de en qué punto de esa curva debe situarse realmente su misión.

La tarea, por tanto, no es "elegir una química y luego comprobar la tasa C". Es derivar el Wh/kg requerido y la tasa C continua más de pico requerida a partir del mismo perfil de misión, al mismo tiempo. El tiempo de vuelo o el ciclo de trabajo determina el lado de la energía. La corriente de crucero y la corriente de pico determinan el lado de la potencia. La temperatura ambiente afecta a ambos. Resuelva los dos antes de abrir siquiera una ficha técnica.

Ejemplo práctico: dimensionar un pack de dron para energía y potencia a la vez

Tomemos un dron táctico ligero con el siguiente perfil de misión:

Requisito de densidad energética: Energía = Potencia × Tiempo. A 500 W en crucero durante 0,583 h, la misión necesita 291,5 Wh, redondeado a 290 Wh. Frente a un presupuesto de masa de celdas de 1,0 kg, eso equivale a un requisito de 290 Wh/kg.

Requisito de potencia: A una tensión nominal de pack de 21,6 V, el crucero consume aproximadamente 23 A de forma continua. El pico de 2200 W consume aproximadamente 100 A durante 4 segundos.

Ahora comprobemos dos celdas reales del catálogo de Dan-Tech frente a ambas cifras juntas, no una a la vez.

La Amprius SA504, una celda pouch de 383 Wh/kg, cumple el lado energético con margen de sobra: a 383 Wh/kg, la misión de 290 Wh necesita solo 0,76 kg de celdas, muy por debajo del presupuesto de 1,0 kg. Su descarga continua nominal es de 66,3 A (6C), cómodamente por encima de los 23 A de crucero. Pero su descarga en pulso nominal es de 88,4 A durante una ventana de 30 segundos. El requisito de pico de 100 A de la misión supera ese valor publicado, aunque el pico real solo dure 4 segundos, no 30. Con las cifras que Amprius realmente publica, no se puede confirmar que la SA504 cubra ese pico.

La Amprius SA124, una celda cilíndrica 21700 de 250 Wh/kg, cumple con la misma claridad el lado de potencia: 50 A continuos (10C) cubren los 23 A de crucero con margen, y su descarga en pulso de 180 A, incluso medida en una ventana más corta de 2 segundos, deja un margen real por encima del pico de 100 A durante 4 segundos de la misión. Pero a 250 Wh/kg, esa misma misión de 290 Wh necesita 1,16 kg de celdas, lo que supera el presupuesto de masa de 1,0 kg. La SA124 cumple el requisito de corriente pero no alcanza el objetivo de tiempo de vuelo dentro de la masa permitida.

Ninguna de las dos celdas encaja perfectamente por sí sola, y ahí está la clave. Elegir solo por Wh/kg lleva a la SA504 y genera una brecha de corriente de pico que se descubre bajo carga, no en el banco de pruebas. Elegir solo por la tasa de descarga lleva a la SA124 y genera un déficit de tiempo de vuelo que se descubre en la integración. Resolver ambas restricciones juntas, antes de consultar siquiera una ficha técnica, es lo que saca a la luz el verdadero compromiso con tiempo suficiente para actuar, ya sea flexibilizando el presupuesto de masa, aceptando un tiempo de vuelo más corto o cambiando la configuración en paralelo del pack (se trata más abajo).

Hay una tercera cifra que merece la pena poner junto al Wh/kg y al amperaje: el coste. La construcción pouch de ánodo de silicio de la SA504 la sitúa en el nivel de precio premium de Dan-Tech, muy por encima de la SA124, una celda cilíndrica 21700 estándar cuyo coste está en la misma banda intermedia que las celdas cilíndricas de Molicel, Samsung y Reliance. Una misión que puede asumir la penalización de masa de la SA124 obtiene un margen de corriente real por un coste por celda notablemente menor. Tampoco es una razón para optar siempre por la celda más barata: si la misión realmente necesita la densidad energética de la SA504, el sobrecoste aporta algo real. Pero el coste debe entrar en el marco del perfil de misión junto con el Wh/kg y la tasa C, y no decidirse en función de qué celda tiene la ficha técnica más impresionante.

Tasa C continua frente a tasa C de pico/pulso: por qué no son la misma cifra

La descarga sostenida y el consumo de corriente de pico de corta duración son dos problemas de ingeniería distintos, y las fichas técnicas no siempre lo dejan claro. La descarga continua está determinada por la térmica y la vida útil en ciclos: es la corriente que una celda puede entregar indefinidamente sin superar una temperatura segura ni acelerar su degradación. La descarga de pico o en pulso es una tolerancia de corta duración, normalmente para la corriente de arranque de un motor o un pico de par en un brazo robótico, donde la celda puede soportar más corriente porque la exposición es breve.

La trampa está en que los valores de "corriente de pico" no se prueban durante la misma duración de una celda a otra, y los datos de referencia de celdas lo dejan explícito. Amprius evalúa el pulso de 88,4 A de la SA504 y el de 26 A de la SA112 ambos en una ventana de 30 segundos. Amprius evalúa el pulso de 180 A de la SA124 en una ventana de 2 segundos, una prueba mucho más estricta. Un valor de 180 A y un valor de 88,4 A no son directamente comparables una vez que se sabe que uno se midió durante 2 segundos y el otro durante 30. Antes de comparar los valores de pico de dos celdas, compruebe la duración de la prueba detrás de cada uno. Suele figurar en la ficha técnica, y cambia lo que ese valor realmente significa para su misión.

Lo que realmente cuesta la densidad de potencia: DCIR, caída de tensión y calor

La densidad de potencia no es una capacidad gratuita que aparece en una ficha técnica. Es función de la resistencia interna de una celda, comúnmente llamada DCIR (resistencia interna en corriente continua), y esa resistencia interna tiene consecuencias físicas reales bajo carga que la mayoría de las guías de compra ignoran por completo.

Bajo carga, la corriente que atraviesa la resistencia interna provoca dos efectos: caída de tensión (la tensión en bornes del pack cae por debajo de su valor nominal, proporcionalmente a la corriente multiplicada por la resistencia) y calentamiento óhmico (pérdidas I²R que elevan la temperatura de la celda). Ambos empeoran a medida que aumenta la corriente, lo que explica precisamente por qué la descarga continua está limitada térmicamente y por qué perseguir la densidad de potencia sin controlarla aumenta realmente el riesgo de fuga térmica.

La RS60 de Reliance, una celda cilíndrica 21700 de 302 Wh/kg, lo ilustra bien: los propios ensayos de descarga de Reliance confirman que la temperatura de la celda se mantiene por debajo de 80 °C a 40 A, con 50 A fijado como máximo continuo nominal. Eso vincula una corriente de descarga concreta a un resultado de temperatura concreto y medido, en lugar de dejar la "densidad de potencia" como una cifra de titular abstracta.

La solución no es una declaración de certificación, es una práctica de ingeniería: la limitación de corriente por el BMS y el desclasificado a nivel de celda, aplicados a nivel de pack para mantener la descarga real dentro de la envolvente que el comportamiento térmico de la celda realmente soporta. Dan-Tech diseña los límites de corriente del BMS a nivel de pack en torno a este mecanismo concreto, en lugar de en torno a la única cifra de corriente de pico que destaca una celda. Cuando un proyecto necesita una norma específica, Dan-Tech diseña packs concebidos para cumplirla (CE, UN 38.3, RoHS e IEC 62133 son las normas habitualmente implicadas); la certificación en sí se define y se lleva a cabo proyecto por proyecto, no se reivindica a nivel de catálogo.

La palanca del formato de celda: pouch frente a cilíndrica frente a diseño de lengüetas

El formato por sí solo no predice dónde se sitúa una celda en el compromiso energía-potencia, y el propio catálogo de Dan-Tech lo demuestra en ambos sentidos. El mecanismo detrás de las diferencias de potencia relacionadas con el formato es la longitud del recorrido de corriente y el diseño de las lengüetas, no la idea de "pouch para energía, cilíndrica para robustez". (Este tema se trata en profundidad en Celda Pouch frente a Li-Ion Cilíndrica: Por qué ha cambiado el argumento de la densidad energética, que este artículo no repetirá.) Las lengüetas de lámina y el apilamiento de electrodos planos de una celda pouch suelen ofrecer un recorrido de corriente más corto y ancho, con más superficie de conexión de lengüetas en relación con la superficie del electrodo, lo que puede permitir tasas de descarga altas junto con una alta densidad energética. La construcción en jellyroll y la recogida de corriente en un solo punto de una celda cilíndrica concentran esa misma corriente en un recorrido más estrecho, lo que explica en parte por qué la tasa de descarga y la densidad energética se contraponen de forma más visible en algunos diseños cilíndricos.

El catálogo de Dan-Tech muestra que el formato no se clasifica claramente en "celda de energía" o "celda de potencia", ni tampoco se clasifica claramente por nivel de precio. Entre las celdas pouch, la Amprius SA504 (383 Wh/kg, con la química de ánodo de silicio SiCore de Amprius) y la Amprius SA08 (360 Wh/kg) se sitúan ambas en el extremo alto de densidad energética a la vez que presentan descargas continuas nominales de 6C y 5C respectivamente, lo que demuestra que el formato pouch por sí solo no impone un techo bajo de potencia. Ambas se sitúan también en el nivel de precio premium de Dan-Tech: es un coste real, no una razón para evitarlas cuando una misión realmente necesita esa densidad energética, pero conviene saber que las propias celdas cilíndricas 21700 de Amprius (SA17, SA112, SA124) tienen precios en la misma banda intermedia que las celdas cilíndricas de Molicel, Samsung y Reliance, así que descartar las celdas pouch premium no significa descartar Amprius. Entre las celdas cilíndricas 21700, el panorama se invierte: la Molicel M65A (322 Wh/kg, 26 A continuos, sin valor de pulso publicado) se sitúa más hacia el extremo de prioridad energética de la gama cilíndrica, mientras que la Amprius SA124 (250 Wh/kg, 50 A continuos / 180 A de pulso) se sitúa en el extremo de prioridad de potencia, dentro del mismo formato 21700.

La conclusión práctica: considere el formato como una palanca más entre varias, junto con el diseño de las lengüetas y el recorrido de corriente, no como un atajo que sustituya la comprobación de las cifras reales de descarga y densidad energética de la celda concreta que tiene delante.

De la celda al pack: serie/paralelo, límites de corriente del BMS y dimensionado de barras colectoras

Elegir una celda es la primera decisión, no la última. Esa elección se traslada directamente a la configuración del pack, y saltarse esa traducción es precisamente lo que hace que una elección de celda correcta acabe produciendo un pack de rendimiento insuficiente.

El número de celdas en serie (S) determina la tensión del pack; el número en paralelo (P) determina la corriente disponible y la capacidad total. Retomando el ejemplo anterior, si los 250 Wh/kg de la SA124 imponen un compromiso de masa en 6S1P, añadir una segunda rama en paralelo (6S2P) duplica tanto la corriente continua como la de pico disponibles y duplica la masa de celdas, lo que cambia por completo el cálculo: una solución real, pero que se hace a costa del mismo presupuesto de masa sobre el que se construyó inicialmente la comprobación de densidad energética. No hay atajo posible para evitar repetir el cálculo S×P frente al perfil de misión una vez elegida la celda.

El número de ramas en paralelo y el techo de descarga real del pack determinan después qué nivel de corriente nominal del BMS es realmente adecuado: los niveles estándar de Dan-Tech van de 60-80 A, 100 A, 150 A y 200 A, seleccionados en función del consumo de corriente real del pack, no de su número de celdas. El dimensionado de conectores y barras colectoras sigue la misma lógica, desde el XT60 y XT90 hasta el AS150U para packs de mayor corriente, o el Harting Han MPC30/MPC60 cuando la aplicación lo requiere. Nada de esto es una opción predeterminada a nivel de catálogo; se dimensiona según lo que realmente necesita entregar esa configuración S×P concreta.

La certificación se sitúa al final de esa misma cadena, definida para la configuración exacta del pack, la celda, el BMS y el conector en conjunto, y no reivindicada para una celda o una familia de catálogo de forma abstracta. Dan-Tech diseña packs para cumplir normas como CE, UN 38.3 e IEC 62133 cuando un proyecto lo requiere; un pack nunca se comercializa como ya "certificado" al margen de esa construcción concreta.

Dos variables que los ingenieros pasan por alto: temperatura y vida útil en ciclos bajo carga

Desclasificación en frío de la energía y la potencia

Los rangos de temperatura de descarga y carga son restricciones operativas reales, no notas a pie de página, y varían según la celda en lugar de seguir una cifra única. La mayoría de las celdas Amprius de Dan-Tech funcionan en un rango de descarga de -20 °C a 60 °C, mientras que las celdas cilíndricas 21700 de Molicel y Reliance mencionadas en este artículo (M65A, P50S, P60C, RS60) llegan hasta -40 °C en el extremo inferior, y la RS60 está clasificada hasta 80 °C en el extremo superior bajo su corte térmico. Los rangos de carga son más estrechos que los de descarga en todo el catálogo. Tanto la entrega de energía como la de potencia se desclasifican a baja temperatura, y, como mecanismo general de la industria (no una cifra propia de Dan-Tech), la entrega de potencia se desclasifica más rápido que la capacidad energética a medida que baja la temperatura, porque la resistencia interna aumenta con el frío, empeorando la caída de tensión y la potencia efectiva antes de que la capacidad misma caiga con tanta claridad. Un perfil de misión con un requisito real de operación en clima frío debe comprobarse frente al rango de temperatura nominal de la celda concreta, no asumirse a partir de una media general del catálogo.

Tasa C alta sostenida y vida útil en ciclos

Las cifras de vida útil en ciclos siempre se prueban a una tasa C y una profundidad de descarga (DoD) concretas, lo que explica precisamente por qué las cifras de vida útil en ciclos de las fichas técnicas no son directamente comparables entre celdas sin comprobar la condición de prueba detrás de cada una. (Qué determina realmente la vida útil en ciclos de las celdas Li-Ion trata este tema en profundidad.) Llevar la descarga sostenida de una celda hacia su máximo nominal sacrifica vida útil en ciclos a cambio de entrega de potencia, y la RS60 de Reliance es el ejemplo mejor documentado en el catálogo de Dan-Tech: los ensayos internos de Reliance muestran aproximadamente 500 a 700 ciclos hasta el 65-70 % de capacidad a 25 °C y una descarga de 30 A, una condición concreta asociada a una cifra concreta, en lugar de un rango genérico de la industria. Antes de comparar afirmaciones de vida útil en ciclos entre celdas, o incluso dentro de la propia ficha técnica de una celda, confirme la condición de descarga bajo la que se probó cada cifra.

El catálogo de Dan-Tech: densidad energética frente a densidad de potencia, lado a lado

*La ficha técnica de la SA124 es una revisión preliminar (R0); aún no hay certificaciones listadas. Todas las demás cifras anteriores proceden directamente de los datos de referencia de celdas de Dan-Tech. Las Molicel M65A, P50S y P60C todavía no tienen una cifra de vida útil en ciclos publicada; eso se indica honestamente arriba en lugar de rellenarse con una cifra inventada o un rango genérico de la industria. Las cifras de "100 A máx." publicadas por Molicel para las P50S y P60C se muestran bajo Pico/Pulso por simetría de la tabla, pero las fichas técnicas de Molicel no especifican una duración de prueba para ese nivel como sí hace Amprius con sus ventanas de 30 y 2 segundos: trate esas dos cifras como un segundo nivel de descarga continua en lugar de como un valor de pico de corta duración confirmado y directamente comparable a los demás, hasta confirmarlo con Molicel. Esta tabla no representa todo el abastecimiento de Dan-Tech: la INR21700-50S de Samsung también forma parte del catálogo de Dan-Tech (a través del pack Drone Series A) pero no aparece arriba, ya que sus cifras independientes de Wh/kg y tasa de descarga a nivel de celda no se publican por separado, solo una cifra de vida útil en ciclos a nivel de pack. El coste es un eje aparte que conviene comprobar junto a estas especificaciones: la SA504 y la SA08 son las celdas pouch de la gama premium de Dan-Tech, con un precio notablemente superior al resto de esta tabla; el resto de celdas listadas, incluidas las propias SA17, SA112 y SA124 de Amprius, tienen precios en la misma banda intermedia que las celdas cilíndricas de Molicel P50B, Samsung y Reliance. Un Wh/kg alto y un precio intermedio no son mutuamente excluyentes al comparar formatos cilíndricos. Dan-Tech también puede construir en torno a celdas suministradas por el cliente al margen de este catálogo cuando un proyecto lo requiera.

Resumen: cómo elegir

• Indique primero los datos de su perfil de misión: ciclo de trabajo o tiempo de vuelo, corriente de pico, temperatura ambiente y objetivo de vida útil en ciclos, antes de abrir siquiera una ficha técnica.
• Resuelva el Wh/kg y la tasa C continua más de pico juntos. Nunca elija primero una química por la densidad energética y compruebe después la tasa de descarga.
• Considere el coste como un verdadero tercer eje, no como algo secundario: la celda con mayor Wh/kg en un formato suele llevar una prima de precio real, y una celda de gama media puede cumplir el mismo perfil de misión por bastante menos.
• Pida el comportamiento de DCIR y caída de tensión bajo su carga real, no solo una cifra de titular en W/kg. Una celda que parece correcta a temperatura ambiente y con carga ligera aún puede sufrir caída de tensión o cortarse bajo su misión real.
• Trate la tasa C continua y la tasa C de pico/pulso como dos cifras distintas, y compruebe la duración de la prueba detrás de cualquier valor de corriente de pico antes de compararlo con el de otra celda.
• Compruebe el formato de celda y el diseño de lengüetas como una palanca de densidad de potencia, no como un atajo. Los formatos pouch y cilíndrico abarcan cada uno ambos extremos del rango energía-potencia dentro del propio catálogo de Dan-Tech.
• Confirme que la corriente nominal del BMS a nivel de pack y el dimensionado de conectores/barras colectoras coinciden con el techo de descarga real de la celda en su configuración S×P elegida, no solo con el máximo de la ficha técnica de la celda.
• Verifique la vida útil en ciclos a su tasa C sostenida real y su profundidad de descarga real, no en la condición de prueba más favorable de la ficha técnica.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre densidad energética y densidad de potencia en una celda de batería?

La densidad energética (Wh/kg) mide cuánta energía almacena una celda por unidad de masa, lo que determina la autonomía o el tiempo de funcionamiento. La densidad de potencia (W/kg, o en la práctica, la corriente de descarga continua y de pico) mide la velocidad a la que esa energía puede entregarse, lo que determina si la celda puede cubrir cargas de pico como la corriente de arranque del motor sin caída de tensión.

¿Puede una celda tener a la vez alta densidad energética y alta densidad de potencia?

Hasta cierto punto, sí. La celda pouch SA504 de Amprius alcanza 383 Wh/kg a la vez que ofrece 66,3 A continuos (6C) y 88,4 A de descarga en pulso, lo que demuestra que ambas no son estrictamente excluyentes, aunque esa combinación se sitúa en el nivel de precio premium de Dan-Tech. Pero cada celda sigue situándose en algún punto de una curva de compromiso real, y ninguna celda del catálogo de Dan-Tech encabeza ambas métricas a la vez.

¿Por qué importan por separado las clasificaciones de descarga continua y de pico de una ficha técnica?

La descarga continua es una cifra sostenida y limitada térmicamente; la descarga de pico o en pulso es una tolerancia de corta duración, a menudo probada en una ventana específica (30 segundos para algunas celdas, tan solo 2 segundos para otras). Una celda puede cumplir sobre el papel el requisito de corriente de pico de una misión y aun así fallar si la carga real dura más que la ventana de pulso probada de la celda.

¿El formato de la celda (pouch frente a cilíndrica) determina si una celda favorece la energía o la potencia?

No, no por sí solo. El catálogo de Dan-Tech incluye celdas pouch de alta densidad energética que también soportan tasas de descarga altas (Amprius SA504, SA08) y celdas cilíndricas 21700 que se reparten tanto en el extremo de prioridad energética (Molicel M65A) como en el de prioridad de potencia (Amprius SA124) del rango. El diseño de las lengüetas y el recorrido de corriente importan más que la etiqueta de formato por sí sola.

¿Cómo afecta la temperatura al compromiso entre densidad energética y densidad de potencia?

Tanto la entrega de energía como la de potencia se desclasifican con temperaturas frías, pero la entrega de potencia generalmente se desclasifica más rápido, porque la resistencia interna aumenta con el frío y empeora la caída de tensión antes de que la propia capacidad caiga con tanta claridad. Un perfil de misión con un requisito real de clima frío debe comprobarse frente al rango de temperatura de descarga nominal de la celda concreta, no frente a las cifras de la ficha técnica a temperatura ambiente.

Lo que hace Dan-Tech: Dan-Tech Energy, fabricante de packs de baterías Li-ion a medida con producción en Alemania y Estados Unidos, construye cada pack personalizado según este mismo marco: resolver primero la densidad energética y la densidad de potencia a partir del perfil de misión real, y después elegir la celda, el formato y la configuración de pack que realmente cumplan ambas restricciones juntas, abasteciéndose de Amprius, Molicel, Reliance y Samsung, o de celdas suministradas por el propio cliente.

Si su perfil de misión apunta hacia una construcción de alta densidad energética, la colección Premium / Alta densidad energética es el lugar por donde empezar a explorar configuraciones reales. Para todo lo que no encaje claramente en una página del catálogo, o si su perfil de misión aún no se ha resuelto por completo hacia una sola celda, envíe sus especificaciones a través del Tool Box y Dan-Tech lo dimensionará con usted. Si el compromiso es lo bastante ajustado como para que quiera que lo revise un ingeniero antes de decidirse, el servicio de asesoría en baterías de Dan-Tech está pensado exactamente para ese tipo de conversación.

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