Para poder almacenar tanta energía como sea posible en el menor espacio posible, son necesarias enormes proezas tecnológicas. Y eso empieza por los materiales

Decenas de nuevas fábricas de baterías en Europa y Estados Unidos, miles de millones invertidos en procesos de producción: la movilidad eléctrica, pero también el almacenamiento del excedente de energía renovable en baterías, está electrificando actualmente a toda la sociedad. Pero, ¿cómo se fabrican las baterías?

Se mezclan, se recubren, se ensamblan y se empaquetan. En realidad, la fabricación de una pila es bastante sencilla. Pero lo malo está en los detalles: para poder almacenar tanta energía como sea posible en el menor espacio posible, son necesarias enormes proezas tecnológicas. Y eso empieza por los materiales de la pila.

Cuando el público habla de electromovilidad o almacenamiento de electricidad en instalaciones fotovoltaicas domésticas, casi todo el mundo piensa en baterías de iones de litio, y suele estar en lo cierto. Pero el mercado del almacenamiento está ahora mucho más diferenciado: el número de químicas de baterías no deja de crecer. La tecnología de iones de litio ya existe en varias formas: La más extendida es la variante NMC622. Los números indican la proporción de los materiales del cátodo: níquel, manganeso y cobalto; NMC811 es otra variante. También es importante la batería de litio hierro fosfato (LFP). Aunque no alcanza la misma densidad energética que las baterías mencionadas, permite más ciclos de carga y no requiere los caros y a menudo problemáticos óxidos metálicos.

Una alternativa a ésta, que ha saltado recientemente a los titulares, es la batería de iones de sodio (Na-ion), que por un lado es más barata que las células de Li-ion y que además suministra su energía en un rango de temperaturas más amplio. Por otro lado, las baterías de Na-ion tienen una menor densidad energética, es decir, son más pesadas con la misma capacidad. Y la batería de Na-ion también se presenta en distintas variantes. Las tres principales se basan en el “blanco de Prusia” -un compuesto inorgánico complejo-, en capas de óxido metálico con níquel, manganeso y otros, y en los llamados cátodos polianiónicos. Y para completar la confusión: Existen muchas más combinaciones químicas capaces de almacenar energía eléctrica.

Foto: Danilo Alvesd / Unsplash.

En la fabricación, las diferencias de material son menos relevantes: Las líneas de producción de las gigafábricas pueden convertirse con relativa rapidez de Li-ion a Na-ion, por ejemplo. Esto se debe a que la construcción es básicamente la misma: las baterías constan de los cuatro elementos básicos cátodo, ánodo, separador y electrolito. Los pasos más importantes del proceso de producción son:

• Producción de electrodos
• Montaje de la célula
• Formación
• Envejecimiento

Tanto los cátodos como los ánodos se componen del material activo -grafito para los ánodos, por ejemplo, óxido de litio y cobalto para los cátodos-, negro de humo conductor, disolvente, aglutinante y aditivos, cada uno de los cuales se combina en una pasta homogénea (lodo) mediante un aporte intensivo de energía en mezcladoras, dispersoras o extrusoras. Dependiendo del diseño del electrodo, la mezcla en seco o la dispersión en húmedo se realizan en diferentes secuencias. A continuación, una lámina portadora -de cobre para los ánodos, de aluminio para los cátodos- se recubre con la pasta y se seca. El calandrado posterior garantiza un grosor homogéneo de la capa de los electrodos.

Una vez cortada la banda de electrodos, las bobinas enrolladas se deshumidifican en secadores de vacío. A continuación se procede al montaje de las células, en el que el electrodo se pliega en pilas de células (bolsa) o se enrolla (célula redonda, célula prismática). Tras el contacto de las láminas de protección, los electrodos se colocan en el embalaje y, por último, se llenan de electrolito.

En la fase del proceso de formación, las celdas de la batería se cargan y descargan por primera vez, con lo que los iones de litio se depositan en las estructuras de grafito del ánodo. El envejecimiento posterior tiene como objetivo identificar posibles cortocircuitos en las celdas. Cada uno de estos pasos del proceso influye en mayor o menor medida en el rendimiento y la seguridad de la batería.

La complejidad de la producción de baterías también está aumentando debido a la evolución de los mercados externos: La fuerte subida de los precios del litio y el níquel obliga a los fabricantes a adaptar sus fórmulas y tecnologías. Las nuevas tecnologías, como la sustitución de electrolitos líquidos por electrolitos sólidos o semisólidos, pero también los procesos de mezcla más rápidos, podrían provocar nuevos trastornos. Aquí es también donde reside la oportunidad para los fabricantes europeos con respecto al dominio chino.

Para no perder estas oportunidades, a menudo ya se están construyendo nuevas fábricas de baterías para procesos que ni siquiera se han desarrollado todavía. Esto presiona a los proveedores de maquinaria: paralelamente a la construcción de la Gigafab, a menudo tienen que desarrollar procesos de alimentación, dosificación y mezcla en un minucioso trabajo empírico de detalle para que finalmente se alcancen las calidades y el rendimiento requeridos. Y pasar del laboratorio y la planta piloto a la producción a gran escala es otro reto. Un ejemplo actual: Hasta ahora, las materias activas se suministraban principalmente en grandes bolsas. Vaciar a mano o de forma semiautomática varias docenas de estos big bags resulta ineficaz. Los nuevos procesos logísticos podrían aportar mejoras significativas en este sentido, sobre todo si las distancias entre los fabricantes son cortas y las cadenas de suministro están integradas.

Máquinas especialmente adaptadas a los requisitos de la producción de baterías, como bombas y sistemas de transporte que transportan lodos abrasivos, máquinas e interfaces que alcanzan con seguridad los límites exigidos en el lugar de trabajo (OEB 4 y 5), pero también sistemas de ensayo y equipos analíticos para estos requisitos especiales son algunos de los retos a los que se enfrentan muchos proveedores de equipos. Y esto también se verá en la próxima edición de Powtech.

Acerca de Powtech

Powtec de Núremberg es la feria especializada en la tecnología de procesamiento. Empresas experimentadas y start-ups innovadoras presentan una amplia gama de soluciones tecnológicas para la producción y el procesamiento de polvos, gránulos, sólidos a granel, fluidos y líquidos. Powtech es una puerta de entrada al mercado europeo y ofrece una visión compacta pero completa de los últimos desarrollos y tendencias específicas de la industria en tecnología de transporte e ingeniería de procesos. Para expositores y visitantes de sectores tan diversos como el químico, el farmacéutico, el alimentario, el de los minerales no metálicos, el de la cerámica, el del vidrio, el de la fabricación de maquinaria y equipos, el del reciclaje, el de la tecnología medioambiental, el de la cosmética y el de las baterías, PPowtec ofrece la plataforma ideal para debatir sobre tecnología de dosificación, procesos y tamizado.