Electrodos de recubrimiento seco para la industria de las baterías de vehículos eléctricos

 

Por qué los electrodos de recubrimiento seco son el futuro de la industria de las baterías de vehículos eléctricos

 Dado que se espera que la demanda mundial de baterías aumente de 185 GWh en 2020 a más de 2000 GWh para 2030, encontrar métodos de producción más eficientes es un enfoque creciente para la industria.

 Original en:   https://www.electrichybridvehicletechnology.com/opinion/why-dry-coating-electrodes-is-the-future-of-the-electric-vehicle-battery-industry.html

Uno de los pasos principales en el proceso de fabricación de la batería es el recubrimiento de material activo en la parte superior de la lámina metálica para crear el electrodo. Este material activo es donde ocurren las reacciones electroquímicas, lo que permite que el electrodo almacene y luego libere energía cuando la celda se descarga. Tradicionalmente, el material del electrodo se mezcla con agua o un disolvente orgánico para formar una suspensión líquida que se aplica a la parte superior de la lámina metálica. Después del recubrimiento, los electrodos se secan y presionan. El proceso de prensado, también conocido como calandrado, disminuye la porosidad del electrodo, lo que conduce a un aumento de la densidad de energía debido a un menor volumen, así como a mejoras en la adherencia y uniformidad del recubrimiento. El proceso de secado es costoso y requiere mucho tiempo y energía, y algunos electrodos tardan entre 12 y 24 horas en secarse por completo. Además, los disolventes orgánicos utilizados para la preparación de la suspensión, que suelen ser peligrosos, deben recuperarse y volverse a destilar para el siguiente uso.

Obviamente, el proceso de "recubrimiento húmedo" presenta una desventaja cuando las demandas del mercado requieren una ampliación rápida y económica de la producción de baterías, por lo que no es de extrañar que empresas líderes como LG, Samsung, CATL, Ford, GM, Volkswagen y Tesla todos están haciendo esfuerzos para desarrollar un "recubrimiento seco", lo que apunta a una tendencia creciente. A medida que la industria se dé cuenta del potencial de esta técnica y trabaje para superar los desafíos que la acompañan, ¿los electrodos de recubrimiento seco marcarán el comienzo de las baterías de próxima generación?

 

Los beneficios del recubrimiento seco.

El nuevo proceso, denominado revestimiento seco, elimina la fase de secado convencional. Se mezcla un polvo con un aglutinante polimérico específico que actúa como pegamento y luego se aplica sobre la lámina metálica. Luego se aplican cambios de presión y temperatura a la mezcla que permite que se adhiera a la lámina.

 Aunque los electrodos de recubrimiento seco a menudo implican un proceso más complejo, permite una reducción en el costo y el tiempo de fabricación, al tiempo que es una opción más respetuosa con el medio ambiente. Echemos un vistazo más de cerca a los beneficios.

 Al evitar el uso de solventes, el proceso de recubrimiento en seco requiere menos pasos de preparación y equipo, lo que reduce los gastos operativos y de capital generales. Con equipo menos pesado involucrado en el recubrimiento en seco, es posible fabricar electrodos utilizando una décima parte del tamaño habitual de fábrica. Esto también reduce la energía necesaria para la producción de baterías. Además, el proceso más rápido de recubrimiento en seco conduce a una mayor producción al tiempo que reduce los costos y el consumo de energía. Específicamente, estas ventajas pueden resultar en una reducción del costo de la batería de al menos un 10%.

 

Sostenibilidad mejorada

Aproximadamente el 39% del consumo de energía en la producción de baterías de iones de litio está asociado con los procesos de secado en general, por lo que la etapa de secado del electrodo representa aproximadamente la mitad de ese consumo. Aunque los procesos secos todavía pueden usar rodillos calentados, la eliminación de los pasos de secado y recuperación de solventes reduce significativamente el consumo y los costos de electricidad. Un beneficio secundario es el medioambiental, ya que no es necesario utilizar los disolventes peligrosos antes mencionados.

 Al igual que con cualquier esfuerzo de mejora, pueden surgir desafíos con el proceso de recubrimiento en seco, como problemas de uniformidad y complicaciones en torno a la producción a gran escala. Como se mencionó, para que la mezcla de recubrimiento seca sea utilizable, debe ser uniforme en las áreas grandes de los electrodos de la batería. De manera similar al recubrimiento húmedo, las láminas recubiertas en seco también se calandran, pero con mayor presión y temperatura. En el caso de Tesla, la mezcla abolló inesperadamente los costosos rodillos de la calandra, lo que, según Elon Musk, es un problema de ingeniería bastante solucionable. Sin embargo, esto todavía requiere una cantidad sustancial de prueba y error para que esté listo comercialmente.

 En el caso de que el recubrimiento no sea uniforme, puede provocar la formación de los denominados puntos calientes en los electrodos de la batería, lo que provocaría la degradación de la batería, posibles cortocircuitos e incluso un fallo catastrófico de la batería. Para mantener el rendimiento de la batería, es fundamental garantizar la adhesión del material activo a las láminas con una cantidad mínima de aglutinante. Por lo tanto, la mezcla seca debe ser uniforme incluso antes del recubrimiento, con los materiales distribuidos uniformemente en el volumen de la mezcla.

 Encontrar una nueva técnica eficiente requiere una inversión significativa en equipos de fabricación de baterías y sus modificaciones para lograr los resultados buscados. Tesla utiliza el proceso de recubrimiento seco desarrollado por Maxwell Technologies, que fue adquirido por Tesla en un acuerdo de acciones en 2019 como parte de sus mejoras de escala y fabricación. Elon Musk estima que, en el caso de Tesla, la compañía revisará la maquinaria cinco o seis veces antes de que pueda continuar la producción a gran escala con recubrimiento seco. Además, aunque Musk anunció inicialmente que el recubrimiento seco sería una gran noticia para la industria, luego se restó importancia dos años después y todavía no está disponible comercialmente. Los retrasos que hemos visto en torno a la adopción de revestimientos secos pueden deberse a grandes inversiones que aún se requieren para optimizar el proceso.

 

¿Puede la arquitectura de electrodos 3D resolver los desafíos del recubrimiento seco?

Tradicionalmente, todas las baterías tienen una estructura de electrodo bidimensional compuesta por una lámina metálica plana recubierta con materiales químicos activos. Por el contrario, los electrodos 3D recientemente avanzados utilizan una estructura metálica porosa con el material químico activo incrustado en el interior durante el proceso de recubrimiento.

 En el caso de láminas 2D en las que el revestimiento está en capas, las baterías pueden sufrir una falta de estabilidad mecánica, lo que presenta un riesgo de delaminación para los electrodos de las baterías. De hecho, en el caso de la patente de Maxwell Technologies, la superficie del colector de corriente a veces se hace rugosa para evitar que la tinta seca se deslice sobre la superficie y mejorar la adherencia. Con los electrodos 3D, este proceso puede ser aún más eficiente e incorporarse en la línea de producción.

Mediante el uso de electrodos 3D, el polvo de material activo se puede infiltrar más fácilmente en la estructura metálica simultáneamente desde ambos lados, lo que permite que sea más uniforme. Esto permite una mejor estabilidad mecánica y adhesión de los electrodos 3D de la batería. Además, el proceso de recubrimiento en seco con electrodos 3D es compatible con el proceso de fabricación mediante láminas y se puede realizar en la misma línea de producción.

 Acelerar la tendencia de electrificación en industrias que van desde los vehículos eléctricos hasta el almacenamiento distribuido de energía es fundamental para cumplir con los objetivos de descarbonización generalizados con el fin de mitigar los impactos del cambio climático. La industria de las baterías necesita utilizar todas las herramientas a su disposición para mejorar el rendimiento, el costo y la ampliación de las baterías de próxima generación, y el recubrimiento seco de los electrodos muestra una promesa significativa para respaldar estos esfuerzos. No se trata solo del desarrollo de químicas de batería más avanzadas, también se trata de mejoras en el diseño de electrodos, incluidos electrodos 3D que pueden facilitar nuevos métodos de fabricación, como el recubrimiento en seco. Solo cuando nos centramos en las complejidades del desarrollo de las baterías, podremos acelerar la transición energética de la que depende el futuro de la sociedad.