El proceso de batería seca minimiza la huella y el consumo de energía

Jul 24, 2023

Christian Kazarian | 10 de julio de 2023

Uno de los pasos principales en el proceso de fabricación de la batería es el recubrimiento de material activo sobre la lámina metálica para crear el electrodo. El material activo es donde ocurren las reacciones electroquímicas, lo que permite que el electrodo almacene y luego libere energía cuando la celda se descarga.

El electrodo de batería seca (DBE) es un concepto y una tecnología emergentes en la industria de las baterías que innova la fabricación de electrodos como una ruta de “polvo a película”. El proceso acorta el tiempo y la energía que requiere y minimiza el espacio necesario, en comparación con el proceso de fabricación en húmedo (recubrimiento de la lámina del electrodo con una suspensión química húmeda).

El proceso húmedo tradicional es un paso más complicado en la fabricación de baterías. Según la empresa de soluciones de detección de fluidos Rheonics, el primer paso en el ensamblaje es la deposición de una suspensión que contiene el material activo, el material conductor y el aglutinante polimérico en un solvente sobre una película de cobre o una película de aluminio (preparación de suspensión y recubrimiento). A esto le sigue el secado, el calandrado y el dimensionamiento de los electrodos.

Para ofrecer un rendimiento electroquímico deseable, es necesario controlar estrictamente el proceso de fabricación de varios pasos de los electrodos de las baterías. Los lodos son un sistema de suspensión complejo que contiene un porcentaje significativo de partículas sólidas de diferentes químicos, tamaños y formas en un medio altamente viscoso.

Una mezcla completa de la suspensión es esencial para la homogeneidad. Las propiedades reológicas de las lechadas afectan atributos importantes: estabilidad de la lechada, facilidad de mezcla y rendimiento del recubrimiento, que impactan los electrodos terminados. La composición y las condiciones de procesamiento aplicadas pueden tener un impacto en la reología de la suspensión resultante.

El proceso DBE ha generado revuelo en los últimos años como una solución viable al complejo y lento proceso húmedo tradicional.

Las baterías de iones de litio se utilizan para productos electrónicos, juguetes, auriculares inalámbricos, herramientas eléctricas portátiles, electrodomésticos grandes y pequeños, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía eléctrica.

Maxwell Technologies, que ahora forma parte de Tesla, y otras empresas, incluidas LiCap Technologies, con sede en California, y AM Battery, con sede en Massachusetts, están ofreciendo tecnología de recubrimiento seco.

LiCap Technologies llama a su proceso tecnología de electrodo seco activado. En diciembre de 2022, LiCap se asoció con Siemens y BW Papersystems (una división de Barry-Wehmiller) para la producción en masa de equipos de fabricación de electrodos secos.

La asociación estratégica fabricará y comercializará sistemas innovadores de fabricación de electrodos secos para la industria de celdas de baterías.

AM Battery describe su proceso como:

Estas son sólo algunas de las empresas que han profundizado en DBE.

Este mismo año, tanto Tesla como Volkswagen comenzaron a utilizar el proceso DBE.

En marzo de 2023,teslaincorporó el nuevo proceso de recubrimiento de electrodo seco de fabricación de baterías que está aplicando a su nuevo diseño de celda 4680 de próxima generación.

Tesla obtuvo la tecnología de proceso seco a través de su adquisición en 2019 de la startup de California Maxwell Technologies, que reemplaza el tradicional y complicado paso de fabricación de baterías que implica recubrir la lámina del electrodo con una suspensión química húmeda (la compañía de vehículos eléctricos vendió Maxwell Technologies en 2021 a UCPower pero mantuvo su metodología de proceso de electrodo de batería seca).

En el método tradicional, la lámina recubierta debe pasar por un largo proceso de secado antes del ensamblaje final, y los solventes tóxicos utilizados en la suspensión deben recuperarse y eliminarse.

Tesla también cree que el proceso de recubrimiento seco tiene el potencial de reducir drásticamente el tamaño, el costo, el consumo de energía y el tiempo del ciclo de producción de las plantas de fabricación de baterías, al tiempo que aumenta la densidad de energía y la potencia de las celdas de las baterías.

Panasonic, uno de los socios de baterías de Tesla, anunció en mayo que retrasará la producción en volumen de la celda de batería Tesla 4680 para introducir "medidas de mejora del rendimiento". No hubo información sobre cuáles son las medidas.

Aún así, Tesla está produciendo las celdas 4680 en su planta piloto en Fremont, pero espera alcanzar un mayor volumen de producción en su Gigafactory Texas.

Para ver lo que pasó la compañía, vea el video del proceso de electrodo de batería seca de Tesla aquí.

Volkswagen (VW) es otro fabricante de automóviles que está adoptando el proceso DBE. En julio de 2022 lanzó PowerCo, una filial responsable del negocio global de baterías.

La fábrica de celdas de Salzgitter, Alemania, comenzará su producción en 2025. Además de la producción de celdas de batería, trabajará en actividades a lo largo de toda la cadena de valor de las baterías. La segunda fábrica de células está prevista en Valencia, España.

PowerCo SE planea introducir el nuevo proceso de fabricación en sus plantas de producción de celdas de batería en Europa y América del Norte.

“Tecnologías como el recubrimiento seco muestran la destreza tecnológica de PowerCo. Contamos con los conocimientos necesarios y los expertos adecuados para llevar la producción de células a un nuevo nivel y ofrecer importantes ventajas de costes a nuestros clientes. Nuestro objetivo es establecer una producción industrial de baterías sostenibles y asequibles”, dijo Thomas Schmall, miembro de la junta directiva del grupo de Tecnología de Volkswagen AG y presidente del Consejo de Supervisión de PowerCo SE.

Para lograr este objetivo, PowerCo y Koenig & Bauer han firmado un acuerdo de desarrollo conjunto para desarrollar una prensa de rodillos para electrodos de recubrimiento en polvo a gran escala industrial. Con el proceso DBE, ya no se requiere la parte más intensiva en energía de la fabricación de células y el uso de disolventes químicos.

PowerCo ya está probando y optimizando la tecnología en una línea piloto en uno de sus laboratorios en el norte de Alemania. Koenig & Bauer, como especialista en impresión, desarrollará una máquina para el recubrimiento en polvo industrial.

La empresa de baterías estima que esta innovadora tecnología tiene el potencial de ahorrar alrededor del 30% de energía, así como el 15% del espacio necesario y, por lo tanto, ahorrará cientos de millones de euros cada año.

“Lo que la celda de estado sólido es para el producto, el recubrimiento seco es para la producción: un verdadero cambio de juego. Si se amplía con éxito, nos dará una posición única en el mercado y ventajas competitivas definitivas”, afirmó Frank Blome, director ejecutivo de PowerCo SE.

Los electrodos (cátodo y ánodo) son la "pieza central" de la celda de la batería y definen la densidad de energía y el rendimiento de la batería. En la producción industrial moderna de electrodos, los materiales de las baterías se mezclan con aditivos y disolventes líquidos hasta formar una suspensión. Después se recubren con láminas de cobre o aluminio, se secan y se calandran.

El procedimiento de recubrimiento en seco de PowerCo permite calandrar (alisar y comprimir) los materiales básicos en polvo directamente sobre la lámina, similar a un procedimiento de impresión. Como resultado, dos de los cuatro pasos del proceso de fabricación de electrodos quedan obsoletos. El recubrimiento en polvo se puede aplicar sobre la lámina de forma extremadamente fina y uniforme, la capa resultante es aproximadamente tan fina como un cabello. Esto garantiza una excelente densidad de energía espacial y un largo ciclo de vida, al tiempo que mejora la capacidad de carga rápida de la batería.

PowerCO de Volkswagen ha creado su propio proceso de electrodos de batería seca.

Con la reducción del espacio, por bloque de construcción de una Gigafábrica normal con una capacidad de producción de 20 GWh, se pueden ahorrar cuatro líneas paralelas de recubrimiento y secado, lo que equivale a un área de 7 metros cuadrados. Esto significa que la longitud exterior de la planta se puede reducir en unos 100 m. Según PowerCo, al no tener que operar los hornos de secado y los sistemas de succión se ahorrará energía equivalente al consumo anual de 40.000 hogares privados.

Además, ya no es necesario el uso de disolventes químicos que deben reciclarse con altos costes energéticos en torres tipo silos fuera de las plantas.

Según un informe de investigación publicado por Spherical Insights & Consulting, el tamaño del mercado mundial de baterías de iones de litio crecerá de 65.900 millones de dólares en 2021 a 273.800 millones de dólares en 2030, a una tasa compuesta anual del 19,3% durante el período de pronóstico.

Con el ahorro de tiempo, costo, espacio y energía que ofrece la tecnología de electrodos de batería seca, es difícil ver un inconveniente.

Sin embargo, la mezcla de recubrimiento seco debe ser uniforme en grandes áreas de los electrodos de la batería para que sea utilizable. Cuando no es constante en todos los electrodos, el proceso expondrá los problemas y complicaciones que surgen en la producción a gran escala. Esto ha provocado contratiempos en la mezcla de recubrimientos y un mayor tiempo para llegar al mercado.

Para Tesla, la mezcla abolló inesperadamente los costosos rodillos de la calandria, y la compañía realizó cuatro revisiones en la máquina de procesamiento para realizar mejoras para mejorarla.

Supuestamente, LG, Samsung, CATL, Ford y GM también están invirtiendo en tecnología DBE.

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