Tecnología de vacío, entre las innovaciones más importantes en los procesos de fabricación de las baterías

La Asociación Internacional de la Energía predice en su informe Global EV Outlook 2021, que en 2030 habrá más de 250 millones de coches eléctricos en las carreteras -alrededor del 15% del parque mundial- y que las ventas anuales alcanzarán los 44 millones.

Se está produciendo un cambio importante en la movilidad de nuestra sociedad y un impulso para reducir las emisiones de CO2. La carrera por minimizar la dependencia de los combustibles fósiles impulsada por los gobiernos, y las previsiones al alza en las ventas de coches eléctricos, plantean un escenario en el que las baterías se van a tener que fabricar de forma masiva para atender a la demanda.

Las instalaciones de fabricación de baterías para coches eléctricos se encuentran mayoritariamente en China, y las producen a una potencia combinada estimada de unos pocos cientos de GWh, según datos aportados por la Asociación Alemana de Ingeniería Mecánica (VDMA), que predice que la demanda crecerá a casi 3000 GWh para 2030.

Reducir costes de fabricación es clave

En paralelo al aumento de la capacidad de producción de baterías necesario, existe una enorme presión por reducir los costes de fabricación, enfocando el problema desde distintas perspectivas.

La primera es que modernizar o construir más fábricas como las existentes no va a solucionar el problema. La tendencia es apostar por gigafactorías de baterías que, a través de una economía de escala y procesos más automatizados, puedan reducir costes. Es el caso de Envision AESC y Verkor que construirán 2 gigafábricas de baterías para Renault, información que puedes leer en este medio.

Los especialistas en vacío colaboran estrechamente con los ingenieros de producción para hacer más eficiente la fabricación de baterías

Sin embargo, es la tecnología de vacío la que puede aportar grandes mejoras en eficiencia. El vacío está presente en varias fases de la fabricación de baterías.

En una primera fase, el vacío evita tanto la entrada de partículas como la formación de burbujas de aire, mejorando tanto la pureza como la homogeneidad de la pasta que contiene los materiales del cátodo y del ánodo.

Posteriormente, el secado al vacío se usa para acelerar la evaporación y reducir las temperaturas requeridas, lo que hace que el secado sea más eficiente.

Finalmente, se vuelve a trabajar en vacío en el ensamblaje de las celdas, cuando se llenan de electrolito y la batería terminada se desgasifica. En esta fase, los electrolitos son tóxicos y altamente inflamables, y el vacío de alta calidad permite un proceso más seguro, y evita el uso de aceites de bomba que implicarían un cambio frecuente de filtros.

Los especialistas en vacío y los ingenieros de producción trabajan de forma conjunta en rediseñar cada una de estas fases, reduciendo tiempos de ejecución, energía y materia prima.

La sostenibilidad relacionada con la eficiencia de la producción

Las mejoras en las distintas fases de fabricación donde el vacío está presente están íntimamente relacionadas con hacer estos procesos más sostenibles.

Una de las propuestas es reducir la energía necesaria del secado al vacío que, según Chris Yuan de la Universidad Case Western Reserve en los EE.UU., representa el 47% de la energía total necesaria para fabricar el paquete de baterías de un Nissan Leaf. La empresa Leybold, especializada en innovación de tecnología de vacío, propone añadir lámparas infrarrojas para conseguir el incremento de temperatura necesaria en menos tiempo. 

Según Leybold, se podría también mejorar el gasto energético de las bombas de vacío a través de software y hardware con los proporcionar vacío sólo cuando es necesario. «Normalmente, las bombas de vacío siempre funcionan a máxima velocidad, aunque el nivel de vacío requerido puede cambiar durante un ciclo de proceso. Las bombas inteligentes pueden lograr ahorros de energía significativos al proporcionar solo la velocidad de bombeo que se requiere», explican desde la empresa.

Otras propuestas de mejora

El equipo de ingenieros también sugiere reemplazar el proceso dividido en cámaras, por una versión continua en la que los electrodos se mueven a través de una serie de cámaras con diferentes condiciones ambientales, aumentando el ahorro de costes y energía. El objetivo a largo plazo es prescindir de secado al vacío.

Por último, mejorar el proceso de llenado de batería de electrolito es otro gran objetivo de eficiencia, ya que es un proceso complicado y costoso: la estructura altamente porosa del electrodo debe estar completamente mojada para que la batería funcione adecuadamente. El uso del vacío reduce los tiempos, pero hay que repetirlo varias veces. Esta es la razón por la cual la investigación se está centrando en buscar diseños alternativos de baterías de estado sólido que eviten por completo los electrolitos líquidos. 

Los avances que permitirán producir baterías para afrontar la demanda que se espera en los próximos años pasa por mejorar cada detalle que impacte en la eficiencia de los procesos de fabricación, y es ahí, donde la tecnología de vacío tiene mucho aportar. 

Fuente | Physicsworld

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