El papel de la tecnología de vacío en el desarrollo de la movilidad eléctrica 11 de octubre de 2021
7 MIN READ
Leybold apoya a los fabricantes en el desarrollo de tecnologías de baterías
La tecnología de vacío es relevante para la calidad y la seguridad de varias etapas de la producción de baterías de iones de litio. Los especialistas en vacío de Leybold llevan muchos años apoyando a los fabricantes de baterías de iones de litio en sus procesos y desafíos tecnológicos y, como tal, han participado en gran medida en el desarrollo de la movilidad eléctrica.
Ayudar a dar forma a los desarrollos
La movilidad eléctrica es la última tendencia en un entorno de mercado muy dinámico. “Desde el punto de vista de la tecnología de vacío, llevamos muchos años supervisando de cerca esta evolución”, afirma la Dra. Sina Weiss, directora de desarrollo empresarial de Leybold GmbH. “Tener la oportunidad de ayudar a dar forma a los desarrollos e investigaciones actuales es increíblemente emocionante”, añade.
En su opinión, una de las tareas principales es determinar nuevas aplicaciones y mercados de vacío a partir de nuevas tecnologías y desarrollos lo antes posible. Por lo tanto, el papel estratégico de la tecnología de vacío es permitir y avanzar en estos desarrollos. Por ejemplo, el diseño del entorno de vacío es un factor que puede influir positivamente en los procesos. El vacío se suele utilizar durante la etapa de llenado del electrolito para garantizar que la célula esté saturada uniformemente con el electrolito y para aportar pureza al proceso de llenado.
Baterías de iones de litio como aplicación de vacío
Leybold estudió los desarrollos en este área e identificó oportunidades para la aplicación de vacío en el proceso de fabricación de baterías de iones de litio. Debido a que al principio no había mucha información disponible sobre el proceso de fabricación de los componentes de iones de litio, la empresa unió fuerzas con la Asociación Alemana de Construcción de Máquinas e Instalaciones (VDMA) y el presidente de Ingeniería de Producción de Componentes de Movilidad Eléctrica de la Universidad RWTH de Aquisgrán para establecer un proceso de fabricación. Además de las baterías de iones de litio, Leybold también se ha centrado en el desarrollo de pilas de combustible. Ya están surgiendo procesos de vacío aplicables, incluido el recubrimiento de las placas bipolares bajo vacío. Aquí es importante observar los desarrollos tecnológicos en los próximos años y, si es necesario, apoyarlos a través de la cooperación.
La tecnología de vacío se utiliza en varios pasos del proceso en la fabricación de electrodos, así como en la investigación y el desarrollo. Como tal, Leybold trabaja en estrecha colaboración con la máquina y la planta
fabricantes que suministran plantas de producción a los fabricantes de baterías. Además, Leybold coopera con fabricantes de baterías, así como con instituciones que llevan a cabo investigaciones para seguir desarrollando tecnologías de baterías.
Aumento del desarrollo en Europa
La mayor parte de la producción sigue teniendo lugar en Asia. Sin embargo, gran parte de la investigación y el desarrollo se está trasladando a Europa, lo que hace que la UE (y especialmente Alemania) sea más importante como centro de investigación y producción.
La tecnología de vacío se utiliza en la producción de celdas de batería, así como en procesos como el
aplicación de materiales activos a los electrodos. "En general, el aire es un factor perturbador en muchos entornos de producción porque los millones de partículas y moléculas de gas tienen una influencia negativa en este paso de producción, a veces incluso lo hacen imposible. Al mezclar el lodo, se deben evitar las partículas y las burbujas de aire para lograr un producto de alta calidad. Por lo tanto, la mayoría de los mezcladores funcionan bajo vacío», explica la Dra. Sina Weiss.
El vacío mejora los procesos
El vacío también es esencial durante la fase de secado para eliminar incluso las cantidades más pequeñas de disolventes y humedad restantes. Sin vacío, el proceso de secado tendría que realizarse a temperaturas mucho más altas y duraría mucho más tiempo. Esto tendría un efecto negativo en la calidad del electrodo. Tan pronto como los electrolitos se incorporan en los siguientes pasos del proceso, el vacío asume un aspecto de seguridad, ya que muchos de los electrolitos utilizados son altamente reactivos e inflamables. Un vacío de alta calidad es esencial en este caso. Por un lado, aporta pureza al proceso para que no entren partículas ni humedad en la célula durante el llenado y la desgasificación del electrolito. Por otro lado, proporciona un entorno de baja reacción sin oxígeno ni humedad con el que el electrolito podría reaccionar.
«El mayor reto siempre reside en la mezcla de gas que se bombea. En principio, todo lo que se bombea y procesa también es transportado por la bomba de vacío. En la producción de baterías, esto afecta a los disolventes y electrolitos, que tienden a ser tóxicos y pueden dañar las bombas y, posiblemente, el aceite de la bomba», afirma la Dra. Sina Weiss. “Pero las temperaturas ambiente muy cálidas y la alta humedad son, por lo general, también circunstancias que nos plantean retos”, añade. Aquí es donde se recurre a los fabricantes de baterías para ayudar, ya sea garantizando la refrigeración correcta de la bomba o utilizando condensadores.
Resultados de secado de alta calidad al vacío
Existen oportunidades de mejora en muchas áreas, ya que aún no hay procesos establecidos que hayan demostrado ser eficientes. El secado al vacío, por ejemplo, es un proceso específico del cliente de presión, temperatura y gases de proceso (como el nitrógeno). Para lograr resultados de secado de alta calidad con la ayuda del secado al vacío, ya se están llevando a cabo proyectos de investigación relacionados con la industria bajo la dirección de la VDMA.
La detección de fugas también desempeña un papel central en la producción desde una perspectiva de seguridad. La celda debe ser 100 % hermética para garantizar una larga vida útil de la batería. Una prueba de fugas válida solo se puede realizar a través de un sistema de detección de fugas por vacío. Incluso las fugas más pequeñas se pueden detectar con la ayuda de un detector de fugas de helio o un espectrómetro de masas. Por otro lado, las fugas no detectadas acortan considerablemente la vida útil de la batería y/o provocan la salida de electrolitos altamente reactivos.
Algunos componentes de las baterías de iones de litio que se tratan al vacío son tóxicos. Para proteger el medio ambiente y la tecnología de vacío de los contaminantes, la bomba de vacío debe ser capaz de soportar estos gases. Además, los materiales tóxicos deben estar confinados dentro del proceso y descargarse de forma segura.
Las bombas secas ahorran tiempo y dinero
Para estos gases tóxicos se utilizan bombas de vacío de funcionamiento en seco. Las bombas de vacío selladas con aceite suelen ser inadecuadas para estas aplicaciones, ya que el aceite de la bomba podría resultar dañado o contaminado por los gases. El uso de bombas de compresión en seco permite a los fabricantes de baterías ahorrar tiempo y dinero, ya que, de lo contrario, tendrían que cambiar el aceite de la bomba con frecuencia. “Las bombas de vacío selladas con aceite se han utilizado cada vez más en el proceso de llenado y desgasificación de electrolitos, que ahora estamos sustituyendo por bombas de vacío de funcionamiento en seco para muchos de nuestros clientes”, resume la Dra. Sina Weiss.
Para garantizar una seguridad de proceso suficiente al manipular gases tóxicos, se utilizan bombas selladas herméticamente, que evitan que se escapen incluso las cantidades más pequeñas de gas. Este es un factor importante, especialmente en el caso de los electrolitos tóxicos, donde la seguridad laboral también es importante.
Más rápido y fiable con la tecnología de vacío
Por lo tanto, la tecnología de vacío desempeña un papel importante en el secado, el llenado de electrolitos y la desgasificación. “El vacío es esencial en los tres pasos del proceso”, subraya la Dra. Sina Weiss. Sin embargo, los pasos del proceso anteriores, como la mezcla con mezcladoras de vacío, el apilado con pinzas de vacío y los pasos del proceso posteriores, como el envasado, también se gestionan de forma más rápida y fiable con la tecnología de vacío.
En el futuro, la influencia de un entorno de vacío puro y las especificaciones se podrán determinar aún mejor. Con el desarrollo de láminas de electrodos marcadas individualmente que se pueden rastrear a lo largo de todo el proceso de producción mediante códigos QR láser, se puede rastrear con precisión la influencia de los parámetros de proceso individuales en la calidad de la batería.
El vacío garantiza la manipulación segura de electrolitos tóxicos
La tecnología de vacío también desempeña un papel importante en términos de seguridad durante la producción y el uso de las baterías. Por ejemplo, la manipulación segura de electrolitos tóxicos en el futuro solo será posible en condiciones de vacío. Al conducir coches eléctricos, confiamos en la calidad de la batería, que se puede probar y garantizar mejor bajo vacío. Sin embargo, hay que decir que los procesos al vacío siempre requieren más energía que los procesos a presión atmosférica. Sin embargo, en los últimos años se han realizado enormes avances hacia bombas energéticamente eficientes y, en la actualidad, utilizamos bombas de vacío altamente económicas en la producción de baterías. «Esto significa que ahora podemos dedicarnos a las preguntas fundamentales: ¿cómo podemos lograr un mayor rendimiento, seguridad y calidad en la producción de baterías mediante el diseño eficiente de los sistemas de vacío? Y también aquí, en los próximos años, haremos muchos avances importantes en el campo de la tecnología de vacío», concluye la Dra. Sina Weiss.
