Podría decirse que el mercado de vehículos eléctricos personales (EV) no existía hace una década. Hoy, el panorama de la industria del transporte se ve muy diferente y enfrenta un futuro impulsado por la electricidad. Según un informe reciente de la Agencia Internacional de la Energía, un total de 1,4 millones de coches matriculados en Europa en 2020 eran eléctricos, lo que representa una cuota del 10 % de las ventas totales de vehículos.
Esa cifra en China y EE. UU. se situó en el 6 % y el 2 %, respectivamente. Se pueden atribuir varios factores a este crecimiento significativo en la industria y al mayor número de personas que compran vehículos eléctricos. Estos factores incluyen políticas gubernamentales que pueden impulsar las tecnologías de energía alternativa, así como la mayor autonomía y potencia de los nuevos modelos EV.
El rol de las baterías de iones en la movilidad
Las baterías de iones de litio (Li-on) están impulsando la revolución EV. Esta celda electroquímica es el centro neurálgico de una batería, que consta de materiales de ánodo y cátodo respaldados por un electrolito que a menudo contiene hexafluorofosfato de litio (LiPF6) con una mezcla de solventes de carbonato orgánico, electrodos portadores de carga y un separador.
Este separador permite la migración de iones de litio entre el ánodo y el cátodo durante el proceso de carga y descarga de la batería. Los últimos 20 años han producido mejoras de ingeniería que han aumentado la densidad de energía de una celda, asegurando que un contenedor cada vez más pequeño pueda contener más energía.
Combinadas con técnicas automatizadas para la fabricación en masa de precisión, estas mejoras de diseño han sido responsables de que los precios de las baterías de iones de litio cayeron un 89 % en los últimos diez años.
La producción de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos ha introducido nuevas demandas para los fabricantes, aunque el proceso de fabricación de baterías de iones de litio destinadas a la electrónica de consumo pequeño está bien establecido, con muy buenas soluciones para la producción de baterías de litio.
Marc Locke, catedrático de ingeniería de producción de componentes de movilidad eléctrica en la Universidad RWTH de Aquisgrán, señala que, aunque los equipos y los flujos de trabajo son similares, "las células automotrices requieren baterías y controles de mayor calidad que los dispositivos más pequeños".
Cientos de celdas individuales conectadas entre sí forman un solo paquete de baterías de iones de litio EV. La precisión es esencial y un solo defecto en una sola celda tiene el potencial de reducir el rendimiento y provocar cortocircuitos internos, lo que podría provocar la ignición del electrolito inflamable de la batería.
Andrew Jansen, ingeniero químico y líder de grupo de la instalación de análisis, modelado y creación de prototipos de células (CAMP) en el Laboratorio Nacional de Argonne, comentó: “Los cortocircuitos internos en las células son lo que mantiene despiertos a los ingenieros de baterías por la noche. Es una tremenda cantidad de energía en un pequeño espacio”.
Los procesos de fabricación de baterías deben cumplir con umbrales de precisión estrechos e incorporar análisis de control de calidad que sean compatibles con una línea de producción automatizada de alto rendimiento para garantizar que las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos cumplan con los requisitos de seguridad y rendimiento. El control de calidad durante la producción es clave para el éxito, y lleva días tener una batería en un estado funcional para realizar estas pruebas de rendimiento.
Enfrentando el desafío del control de calidad
La fabricación de baterías de iones de litio requiere tres etapas generales, cada una de las cuales comprende varios pasos individuales. Estos pasos de fabricación casi no tienen margen de error. Por ejemplo, las tolerancias estándar para el grosor de la película del electrodo pueden ser tan pequeñas como ±2 μm.
Las líneas de producción de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos están automatizadas en gran medida para lograr umbrales tan estrechos. Para evaluar la calidad y lograr precisión, estas automatizaciones incorporan un conjunto de instrumentos analíticos en una línea de producción y mediciones realizadas después de la producción.
Además de proporcionar suficiente precisión, las herramientas utilizadas en tales líneas de producción deben ser lo suficientemente robustas y altamente receptivas para tolerar la alta velocidad de una línea de producción, según Junkichi Azuma, gerente de aplicaciones industriales de Sartorius. Estos sistemas, como el propio proceso de fabricación, están totalmente automatizados y por lo tanto, está equipado para proporcionar un control receptivo sobre las etapas de fabricación o reconocer defectos de calidad.
Las comprobaciones de rendimiento, como la supervisión de una salida de voltaje estable, solo se pueden probar después de que la celda de la batería esté completamente ensamblada.
Figura 1: Para mantener la velocidad de las líneas de producción de baterías, las cámaras y los dispositivos de detección de línea inspeccionan ópticamente las baterías de iones de litio durante la producción de componentes y el ensamblaje de celdas de batería.
Preparación de los electrodos
La preparación de cada electrodo, llamado ánodo y cátodo, es la primera etapa de la producción de baterías de iones de litio.
La mezcla separada toma el lugar de las lechadas de los componentes de ánodo y cátodo. Generalmente, la suspensión del ánodo contiene aglutinantes poliméricos, otros aditivos y agua purificada como solvente, junto con grafito como material anódico.
La suspensión del cátodo generalmente contiene un material de óxido en capas que comprende cobalto, níquel y manganeso (NMC) para baterías de iones de litio EV.
Se utiliza un disolvente de N-metilpirrolidinona (NMP) para dispersar el óxido de NMC con aglutinantes y aditivos.
Se utiliza una línea de producción a través de la cual se alimentan láminas largas de cobre y aluminio. Las suspensiones de electrodos se depositan como películas delgadas sobre las láminas de aluminio. Para el ánodo y el cátodo, respectivamente, las hojas conductoras de cobre y aluminio sirven como colectores de corriente.
Las películas se secan después del paso de recubrimiento, utilizando un gradiente de calentamiento que minimiza el agrietamiento, la descamación y otras deformaciones en las películas.
En un proceso llamado calendario, las hojas luego pasan a través de pesados rodillos. Para lograr una porosidad óptima para los electrodos activos, este paso comprime las películas secas.
Durante varias horas, las hojas se transfieren a una sala de secado al vacío para eliminar la humedad restante. Para esta parte del proceso, las velocidades típicas de la línea de producción pueden alcanzar los 50 m/min.
Control de calidad: Inspección óptica
El principal método de control de calidad de los electrodos es la inspección visual.
Dada la velocidad a la que se produce el montaje de los electrodos, la inspección humana no es factible.
Locke comenta: “Lo más común es realizar inspecciones visuales con sistemas de cámaras y dispositivos de detección de línea”.
Las cámaras ópticas, por ejemplo, pueden inspeccionar películas de electrodos para identificar si existen defectos macroscópicos, como grietas y geometrías irregulares en los bordes de las películas.
Tales herramientas ópticas, según Locke, cuentan con computadoras con algoritmos que pueden señalar estos defectos. Además, las imágenes de rayos X pueden monitorear si las películas de ánodo y cátodo están alineadas con precisión entre sí en una celda durante el ensamblaje.
Fuente: Sartorius
