El precio de las baterías de iones de litio podría reducirse si se mejora la precisión del proceso de recubrimiento de la base de cobre o aluminio de los electrodos con los materiales que lo forman. Un equipo de investigación del KIT (Instituto de Tecnología de Karlsruhe) ha hecho realidad esta hipótesis logrando producir electrodos para las baterías de litio en un tiempo récord, mejorando su calidad y reduciendo los costes de producción.
Las baterías de iones de litio están formadas por dos electrodos (cátodo y ánodo) entre los que viajan los iones, que están sumergidos en un electrolito que facilita su desplazamiento. Cuando está en proceso de descarga los iones se liberan del ánodo o electrodo negativo y viajan hasta el cátodo o electrodo positivo. Cuando la batería se conecta a un cargador, ocurre lo contrario y la batería se recarga.
Para fabricar estos electrodos se aplica, sobre la lámina de cobre o aluminio que forma la base, un patrón rectangular en forma de pasta del material que compone el electrodo. Este patrón se ve interrumpido por secciones cortas de papel de aluminio sin recubrimiento, que son necesarias para la descarga de los electrones. Para producir estas secciones, el proceso de recubrimiento debe interrumpirse y reiniciarse repetidamente. La calidad del proceso y, por lo tanto, la minimización de los electrodos rechazados depende de que se logre que los bordes del material depositado se mantengan afilados, para no contaminarlos con las secciones conductoras y hacer este a la mayor velocidad posible.
La precisión del recubrimiento de los electrodos es un factor esencial para la eficiencia y los costes de producción de la batería. Incluso los errores de producción más pequeños hacen que las celdas de la batería sean inutilizables. Debido a la alta tasa de rechazo y al bajo rendimiento, las baterías de iones de litio de hoy en día "son más caras de lo realmente necesario", asegura Wilhelm Schabel del Instituto de Ingeniería de Procesos Térmicos y Tecnología de película delgada (TVT-TFT). "Es esta área donde son posibles las mayores reducciones de costes en la producción de celdas" añade.
El nuevo proceso de fabricación de electrodos mejora la precisión y reduce la tasa de rechazo.
Ralf Diehm, que trabaja en el equipo de Schabel, ha logrado un avance decisivo en este proceso equipando la boquilla que deposita el material del electrodo con una membrana oscilante que detiene y reinicia cíclicamente la aplicación de la pasta de recubrimiento optimizando todo el procedimiento y reduciendo los errores.
La ausencia de algunos componentes mecánicos utilizados anteriormente en la boquilla no solo aumenta la velocidad de producción, sino que también ofrece otras ventajas. La membrana se puede controlar con mayor precisión que las válvulas mecánicas lo que mejora la calidad de producción y reduce la tasa de rechazo.
Hasta ahora, las velocidades de fabricación se han limitado a unos 30 a 40 metros por minuto. Con la nueva tecnología, se alcanzan hasta 150 metros por minuto en recubrimiento de electrodos. "Esta membrana es mucho más ligera que las válvulas mecánicas, por lo que se pueden alcanzar tiempos de reacción rápidos y altas velocidades", asegura Diem. La mayor velocidad de producción de electrodos, unida a la alta calidad de fabricación reduce considerablemente los costes de producción de las celdas de batería. En una línea real, se podría llegar a multiplicar por tres lo que satisface la creciente demanda de baterías de los fabricantes de vehículos eléctricos.
El proceso de secado
Para que toda la producción de las baterías se beneficie de un recubrimiento de electrodos más rápido, existe otro punto que debe reajustarse dentro del proceso. Según explica Scharfer, Jefe del grupo de KIT de Tecnología de película delgada (TFT), que ha estudiado este tema con el profesor Schabel, Un recubrimiento más rápido requiere reducir los tiempos de secado para poder aprovechar las instalaciones actuales que realizan esta tarea. "De lo contrario, la sección de secado y, por lo tanto, la planta completa de fabricación tendrían que ampliarse".
La investigación también ha estudiado diferentes condiciones de secado, que le han permitido su optimización. Como resultado, el tiempo de secado se redujo en aproximadamente un 40% manteniendo las propiedades del electrodo.
El futuro de esta tecnología
A partir de ahora, la tecnología ahora se desarrollará hasta lograr su madurez industrial mediante una empresa spin-off establecido por Ralf Diehm y su equipo. Respecto al proceso de secado, dentro del Grupo de Investigación ProZell II financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), también se continuará con los trabajos en cooperación con socios de Technische Universität Braunschweig y el Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno Baden-Württemberg (ZSW) Ulm.
TFT desarrolla sus tecnologías para la producción de electrodos y para futuros sistemas de materiales nuevos como parte del Centro de Almacenamiento de Energía Electroquímica Ulm & Karlsruhe (CELEST), una de las plataformas de investigación más grandes en el área de investigación de baterías a nivel mundial. Los nuevos hallazgos relacionados con la tecnología de producción también se incorporarán directamente en el Clúster de excelencia de almacenamiento posterior al litio (POLiS), dentro del cual KIT desarrolla baterías para el futuro junto con la Universidad de Ulm.
