¿Cómo se fabrican las baterías?

La estructura y el principio de funcionamiento de las baterías.

Las baterías producen energía eléctrica a través de la reacción química que ocurre dentro de la celda. La clave para llevar a cabo esa reacción es el movimiento de los electrones. Los electrones son partículas cargadas negativamente que generan electricidad mientras se mueven. Este flujo es posible con el uso de dos metales diferentes que actúan como conductores. Al conectar los metales entre sí, se inicia el movimiento de electrones entre ellos, que es causado por los electrones que son atraídos por los metales que se conocen como cátodo y ánodo. Los electrones siempre serán atraídos más fuerte por el cátodo. Los metales dentro de una batería están interconectados por una sustancia capaz de conducir electrones, llamada electrolito. Los vehículos eléctricos usan baterías construidas con celdas interconectadas. Los sistemas de potencia utilizados se diferencian entre sí principalmente por su vida útil, composición química y peso. El mercado de las baterías para vehículos eléctricos está cambiando de forma dinámica. Actualmente, las baterías de iones de litio se encuentran entre los tipos más populares. Su producción es compleja y requiere máxima calidad en cada etapa. Las baterías de iones de litio más populares son aquellas cuyas celdas se basan en metales como el níquel, el cobalto o el manganeso. Los tipos de baterías de iones de litio más comúnmente elegidos para vehículos eléctricos incluyen baterías de litio-níquel-cobalto-manganeso (NMC). Las baterías de litio-manganeso (LMO), litio-hierro-fosfato (LFP) y litio-níquel-cobalto-aluminio (NCA) son de mucho menor interés.

¿Cómo se fabrica una batería?

La fabricación de celdas de iones de litio y otras se caracteriza por su complejidad y un alto grado de automatización. La producción de baterías depende de su tipo, pero las principales etapas y procesos son similares. En pocas palabras, todo el proceso de fabricación se puede dividir en tres "bloques" principales:

1. Producción de electrodos

Independientemente del formato y la forma de la batería que se produzca, el primer paso es fabricar los electrodos. En esta etapa, es importante evitar la contaminación cruzada entre diferentes materiales, por lo que en la práctica hay una línea separada para producir el cátodo y una línea separada para el ánodo. El ánodo se produce a partir de una lámina de cobre recubierta de grafito, mientras que el cátodo se fabrica a partir de una lámina de aluminio recubierta con un metal seleccionado. Las fases de producción más importantes incluyen:

• Mezcla, que consiste en producir la denominada suspensión que es una mezcla de polvos (sustancias activas) con un solvente y otras sustancias químicas que actúan como aglomerantes.
• Recubrimiento y secado: se bombea una suspensión lista al área de recubrimiento, donde se aplica sobre una lámina metálica. Luego, la lámina se envía a una estufa de secado, donde el solvente se evapora y la sustancia activa se adhiere a la lámina.
• Calandrado: el proceso de acabado de los rollos revestidos. Se mueven entre dos elementos calentados que proporcionan la compresión adecuada del material al presionar los rollos contra la lámina y así mantener un espesor y una densidad estables y una mejor adherencia.
• Corte: la hoja de metal pasa por un sistema de cuchillas que la cortan en muchas piezas más pequeñas cuyos tamaños se adaptan a los electrodos que se van a producir.

2. Montaje de celdas

El ensamblaje de las celdas requiere un ambiente seco para evitar la formación de humedad que puede causar la degradación y una caída significativa en la eficiencia del electrodo. En esta etapa, los electrodos se cortan y se colocan en cubiertas. El ensamblaje de la celda cubre los siguientes pasos:

• Corte: se producen electrodos rectangulares durante el proceso de corte. El corte se realiza mecánicamente o con láser.
• Disposición: en una carcasa de batería, los electrodos están dispuestos alternativamente: ánodo, separador, cátodo. La forma más popular es la media.
• Ensamblaje: los electrodos dispuestos adecuadamente se conectan y unen a las abrazaderas principales mediante soldadura. La celda con electrodos así producida se coloca en material de embalaje y se sella, dejando un borde abierto para llenar con electrolito.

3. Formación y control de calidad.

Luego, una batería ensamblada pasa por la fase de acondicionamiento. Este suele ser un momento crítico de la producción, ya que la celda se carga por primera vez y se somete a una serie de pruebas para demostrar su calidad y eficiencia. Las etapas finales de la formación de una batería incluyen la precarga, la desgasificación y el envejecimiento a alta temperatura. Cuando finaliza esa última fase, el dispositivo está listo para su uso en diferentes aplicaciones. Los vehículos eléctricos funcionan con baterías de iones de litio. Se encuentran entre los tipos de baterías más populares, principalmente debido al hecho de que permiten recorrer más millas con una sola carga en comparación con otros tipos de baterías. Su proceso de fabricación es muy similar al de las baterías de litio más comunes. Un rasgo característico de las baterías de los coches eléctricos es que constituyen una conexión en serie de varias celdas de iones de litio que componen los denominados módulos. Cada módulo de una batería contiene de unas pocas a más de diez celdas conectadas en serie. Luego, los módulos se sueldan para formar paquetes de baterías que se someten a un control de calidad.

Materias primas para la producción de baterías.

Los sistemas de almacenamiento de energía más populares incluyen baterías de iones de litio. La producción de estas células es compleja y requiere máxima calidad en cada etapa. Un tema importante es elegir tales materias primas para la producción que la batería terminada pueda satisfacer completamente la demanda del mercado y los requisitos del consumidor.

Rieles

Las materias primas más importantes para la producción de baterías incluyen metales, principalmente litio, cadmio, níquel, hierro, zinc y manganeso. Este último es el material más popular utilizado para producir baterías de iones de litio. Otros elementos utilizados para la producción de baterías son el magnesio y el aluminio (como electrodos), debido a su alto potencial estándar y equivalente electroquímico. Un beneficio adicional es su precio relativamente bajo y alta disponibilidad. Esto los convierte en un sustituto ideal de los populares electrodos hechos de zinc. Otro metal aplicado en las baterías es la plata, que permite producir celdas seguras con una alta densidad energética. Además, el uso de plata permite lograr un voltaje de batería más alto en comparación con el cadmio, por ejemplo.

Óxidos de metal

Los electrodos de las baterías (cátodos y ánodos) no solo están hechos de metales. También se utilizan óxidos metálicos, como el óxido de manganeso (IV) o el óxido de zinc. El material activo de las baterías de iones de litio suele ser litio, que se presenta con mayor frecuencia en forma de óxidos combinados con metales como cobalto, manganeso, níquel, vanadio o hierro.

electrolitos

El electrolito es el componente clave de las baterías de iones de litio que permite un flujo libre de electrones entre los electrodos. Los electrolitos son principalmente soluciones acuosas o soluciones en sustancias orgánicas, que se producen al disolver uno o más tipos de sal, por ejemplo, cloruro de amonio, cloruro de zinc o perclorato de magnesio. En las pilas alcalinas, el hidróxido de potasio se utiliza como electrolito. El carbonato de vinileno también se selecciona comúnmente para producir electrolitos para baterías de iones de litio. Es especialmente importante para el sector de pilas y acumuladores, que está experimentando un crecimiento dinámico. El carbonato de vinileno de alta pureza (mínimo 99,99%) está disponible en la amplia gama de productos del Grupo PCC , que es uno de los principales fabricantes y proveedores de productos químicos y materias primas para cualquier industria.

Grafito

El grafito o carbón en polvo es una materia prima clave para la producción de electrodos. La estructura de algunas baterías incluye barras de grafito que “recogen” los electrones que fluyen del circuito y los distribuyen a través del cátodo. Además, la estructura del grafito facilita la extracción de los gases producidos durante una reacción electroquímica.

Plástica

Los plásticos , como el polietileno o el polipropileno , son excelentes materiales que se aplican en la producción de separadores de batería. Separan el cátodo del ánodo. Los plásticos también se utilizan para fabricar revestimientos y carcasas para baterías.