El papel de tecnología de vacío en desarrollo de movilidad eléctrica

La tecnología de vacío es relevante para la calidad y seguridad de varias etapas en la producción de baterías de iones de litio. 

Los especialistas en vacío de Leybold han estado apoyando a los fabricantes de baterías de iones de litio en sus procesos y desafíos tecnológicos durante muchos años y, como tales, han estado muy involucrados en el desarrollo de la movilidad eléctrica.

Ayudando a dar forma a los nuevos desarrollos

La movilidad eléctrica es la última tendencia en un entorno de mercado muy dinámico. "Desde la perspectiva de la tecnología de vacío, hemos estado siguiendo de cerca esta evolución durante muchos años", comenta la Dra. Sina Weiss, Gerente de Desarrollo Comercial de Leybold GmbH. “Tener la oportunidad de moldear los desarrollos e investigaciones actuales es increíblemente emocionante”, agrega.

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 promover estos desarrollos. Por ejemplo, el diseño del entorno de vacío es un factor que puede influir positivamente en los procesos. El vacío se usa a menudo durante la etapa de llenado de electrolitos para garantizar que la celda esté uniformemente saturada con electrolito y para dar pureza al proceso de llenado.

Baterías de iones de litio como aplicación de vacío

Leybold estudió desarrollos en esta área e identificó oportunidades para la aplicación de vacío en el proceso de fabricación de baterías de iones de litio. Debido a que inicialmente había poca información disponible sobre el proceso de fabricación de componentes de iones de litio, la compañía unió fuerzas con Verband Deutscher Maschinen und Anlagenbau (VDMA) y la Cátedra de Ingeniería de Producción de Componentes de E-Mobility en la Universidad RWTH Aachen para establecer un proceso de manufactura. 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 placas bipolares al vacío. En este escenario es importante observar los desarrollos tecnológicos en los próximos años y, si es necesario, brindar apoyo a través de la cooperación.

La tecnología de vacío se utiliza en varios pasos del proceso de fabricación de electrodos, así como en investigación y desarrollo. Leybold trabaja en estrecha colaboración con los fabricantes de máquinas y plantas que suministran plantas de producción a los fabricantes de baterías. Además, Leybold coopera con fabricantes de baterías e instituciones que realizan investigaciones para desarrollar aún más las tecnologías de baterías.

Desarrollo creciente 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 lugar de investigación y producción.

La tecnología de vacío se utiliza en la producción de celdas de batería, además de procesos como la aplicación de materiales activos a 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 haciéndolo imposible. Al mezclar la suspensión, 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 al vacío", explica la Dra. Sina Weiss.

El vacío mejora los procesos

El vacío también es esencial durante la etapa de secado para eliminar incluso las cantidades más pequeñas de solventes y humedad. Sin vacío, el proceso de secado tendría que llevarse a cabo a temperaturas mucho más altas para que durara mucho más. Pero esto tendría un efecto negativo en la calidad del electrodo. Tan pronto como se incorporan los electrolitos en los pasos posteriores del proceso, el vacío adquiere un aspecto de seguridad, ya que muchos de los electrolitos utilizados son altamente reactivos e inflamables. El vacío de alta calidad es esencial aquí. Aporta pureza al proceso para que no entren partículas ni humedad en la celda durante el llenado y la desgasificación del electrolito. Por otro lado, proporciona un ambiente de baja reacción sin oxígeno ni humedad con los que podría reaccionar el electrolito.

"El mayor desafío siempre radica en la mezcla de gases 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 solventes y electrolitos que tienden a ser tóxicos y pueden dañar las bombas y posiblemente también al aceite de la bomba", dice la Dra. Sina Weiss. "Pero las temperaturas ambientales sumamente cálidas y la alta humedad son, en términos generales, circunstancias que también representan desafíos", agrega. Aquí es donde los fabricantes de baterías están llamados a ayudar, ya sea asegurando la correcta refrigeración de la bomba o utilizando condensadores.

Resultados del secado de alta calidad al vacío

Existen oportunidades de mejora en muchas áreas, ya que aún no existen 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 juega un papel central en la producción desde una perspectiva de seguridad. La celda debe ser 100% a prueba de fugas para garantizar una larga duración de la batería. Una prueba de fugas válida solo puede realizarse a través de un sistema de detección de fugas de vacío. Incluso las fugas más pequeñas pueden detectarse 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 fuga 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 tener la capacidad de soportar estos gases. Además, los materiales tóxicos deben ser confinados dentro del proceso y descargados de manera correspondientemente 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 tienden a ser inadecuadas para estas aplicaciones, ya que los gases podrían dañar o contaminar el aceite de la bomba. Al utilizar bombas de compresión seca, los fabricantes de baterías ahorran 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 utilizan cada vez más en el proceso de llenado y desgasificación de electrolitos, que ahora estamos reemplazando con bombas de vacío de funcionamiento en seco para muchos de nuestros clientes", resume la Dra. Sina Weiss.

Para garantizar una seguridad de proceso suficiente cuando se manipulan 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 electrolitos tóxicos, donde la seguridad laboral también es importante.

Más rápido y confiable con tecnología de vacío

La tecnología de vacío juega un papel importante en el secado, el llenado de electrolitos y la desgasificación. "El vacío es esencial en los tres pasos del proceso", dice la Dra. Sina Weiss, pero los pasos anteriores del proceso, como la mezcla con mezcladores al vacío, el apilamiento con pinzas de vacío y los pasos posteriores del proceso, como el empacado, también se manejan de manera más rápida y confiable con tecnología de vacío.

En el futuro, la influencia de un entorno de vacío puro y las especificaciones se pueden 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 grabados con láser, se puede rastrear con precisión la influencia de los parámetros de proceso individuales en la calidad de la batería.

El vacío asegura el manejo de electrolitos tóxicos. La tecnología de vacío también juega un papel importante en términos de seguridad durante la producción y el uso de baterías. Por ejemplo, la manipulación segura de electrolitos tóxicos en el futuro seguirá siendo posible sólo en condiciones de vacío. Conduciendo coches eléctricos, confiamos en la calidad de la batería, que puede probarse y garantizarse mejor bajo vacío. Hay que decir, sin embargo, que los procesos al vacío siempre requieren más energía que los que se realizan a presión atmosférica. Sin embargo, aquí se han hecho enormes progresos en los últimos años hacia bombas energéticamente eficientes, y hoy en día utilizamos bombas de vacío muy económicas en la producción de baterías. "Esto significa que ahora podemos dedicarnos a las preguntas principales: ¿Cómo podemos lograr un mayor rendimiento, seguridad y calidad en la producción de baterías mediante el diseño eficiente de sistemas de vacío? Y aquí, también, realizaremos muchos avances importantes en el campo de la tecnología de vacío en los próximos años", concluye la Dra. Sina Weiss.

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