Conceptos innovadores para una producción de celdas de batería sostenible y económica

Concepto de un piloto de planta de Fraunhofer FFB en disposición en U como macroentorno. © Fraunhofer FFB / Concepto de un piloto de planta de Fraunhofer FFB en disposición en U como macroentorno El impulso con el que se desarrolla la tecnología de almacenamiento de baterías, como uno de los enfoques más prometedores para sustituir los combustibles fósiles, es enorme. Sin embargo, para que las celdas de batería se fabriquen de manera más sostenible y económica a largo plazo, se requieren potenciales de ahorro adicionales y estrategias de eficiencia en el proceso de fabricación, sin descuidar los estándares de los entornos de fabricación. Actualmente, hasta el 50 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero en Alemania provienen de la electricidad necesaria para la producción de celdas de batería, de las cuales hasta el 43 por ciento del consumo de energía se atribuye al entorno de fabricación y a la operación de salas limpias y secas. El documento técnico de los investigadores de Münster describe .© Fraunhofer FFB

Para la transición hacia una movilidad sostenible, las células de batería de alto rendimiento son un requisito fundamental. Es esencial crear una infraestructura de producción de las células que sea más eficiente en el uso de energía y recursos. Investigadores de la institución Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle FFB muestran ahora las posibilidades de reducir los costos energéticos y operativos en la fabricación de células de batería mediante el uso de los llamados «Mini y Macro-Entornos», creando así un alto potencial para una producción de baterías competitiva en Alemania y Europa. Los conocimientos se resumen en el nuevo Whitepaper «Conceptos de instalaciones energéticamente eficientes y orientadas a la calidad para la fabricación de células de batería», que ya está disponible.

La dinámica con la que evoluciona la tecnología de almacenamiento de baterías como una de las aproximaciones más prometedoras para sustituir los combustibles fósiles es enorme. Sin embargo, para que las células de batería puedan fabricarse de manera más sostenible y económica a largo plazo, el proceso de producción requiere potenciales de ahorro adicionales y estrategias de eficiencia, sin comprometer los estándares de los entornos de fabricación. Actualmente, hasta un 50 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero en Alemania provienen del consumo de electricidad necesario para la producción de células de batería, de las cuales hasta un 43 por ciento del consumo energético se destina a los entornos de fabricación y al funcionamiento de las salas limpias y secas. El Whitepaper de los investigadores de Münster describe cómo, mediante diversos conceptos innovadores de entornos, en el futuro se puede lograr un potencial de ahorro económico y medioambiental en la fabricación de células de batería, además de mostrar la implementación práctica del concepto en Fraunhofer FFB.

Desafíos en la fabricación de células de batería

En su campo de aplicación, la batería de iones de litio (LIB) se considera la variante más avanzada: sistemas de almacenamiento de energía estacionarios, electrónica de consumo, pero sobre todo la electrificación de la movilidad, representan la mayor parte de la demanda total prevista. Es el impulsor del aumento anual en la demanda de LIB en gigavatios hora. Las crecientes exigencias en cuanto a sostenibilidad y rendimiento de la batería, como por ejemplo una mayor densidad de energía para aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos, también requieren materiales de células innovadores. Con vistas a una producción sin problemas, de alta calidad y segura de las células de batería, estas exigen requisitos exhaustivos en cuanto a limpieza y sequedad.

Las salas limpias y secas, es decir, espacios herméticamente cerrados, cumplen con estos requisitos. Disponen de un clima de aire seco y, por tanto, de una humedad muy baja, con un punto de rocío de menos 60 grados, que es el valor de temperatura a partir del cual comienza la condensación de la humedad del aire. Sin embargo, para que sean más secas que el desierto, se requieren enormes esfuerzos energéticos para tratar el aire extremadamente seco.

Potencial de nuevos conceptos de entornos en la fabricación de células de batería

Por ello, Fraunhofer FFB desarrolla, implementa e investiga conceptos de recintos cercanos al proceso y a las máquinas en la producción, que en el futuro reemplazarán los costosos y energéticamente intensivos espacios limpios y secos, ofreciendo alternativas mucho más económicas y sostenibles.

– »Los Mini-Entornos son unidades de fabricación y transporte limitadas y separadas, que encapsulan el proceso de valor añadido y el producto. Hasta ahora, el uso de «Mini-Entornos» se ha limitado a laboratorios o escalas piloto.«
– »Los Macro-Entornos conectan y combinan áreas de fabricación limitadas y separadas, que pueden incluir operación, logística, así como unidades de máquinas y producción.«

Al respecto, Marius Heller, investigador del grupo de investigación «Ensamblaje y Formación» en Fraunhofer FFB, comenta: «Con el uso de «Mini-Entornos» en la fabricación de células de batería, se pueden mejorar parámetros decisivos. Entre ellos, costos operativos y energéticos significativamente menores y la protección de los empleados frente a sustancias potencialmente peligrosas. Para la industria, en el futuro, la transición a conceptos de entornos puede marcar el cambio hacia una fabricación de células ecológica y económica en Europa.»

Implementación y prueba en las líneas de producción de Fraunhofer FFB

Los fabricantes de equipos deben diseñar tecnologías de planta efectivas y eficientes en el futuro. Fraunhofer FFB establecerá en sus fábricas flexibles y adaptables, «FFB PreFab» y «FFB Fab», un estándar de comparación para tecnologías de planta orientadas a la calidad y eficiencia energética frente a la tecnología existente, contribuyendo así a transferir soluciones avanzadas a la industria de baterías. Para ello, se mantendrán, entre otras cosas, los espacios limpios y secos circundantes para probar y cuantificar las tecnologías de proceso y producción. Al mismo tiempo, se realizarán pruebas gradualmente de los conceptos de entornos.

Hasibe Turhan, investigadora del grupo «Ensamblaje y Formación» en Fraunhofer FFB, comenta: «Esperamos un desarrollo similar en la fabricación de células de batería al que experimentó la fabricación de semiconductores hace ya 30 años: mediante el encapsulado cercano al proceso, se pueden realizar flujos de aire dirigidos y alcanzar una alta calidad del producto. En general, se optimizará toda la secuencia del entorno del proceso.»

Basándose en observaciones de mercado y conversaciones con la industria, Fraunhofer FFB espera que el avance de los «Mini-Entornos» pase del nivel piloto al nivel de serie a partir de 2027.

El Whitepaper «Conceptos de instalaciones energéticamente eficientes y orientadas a la calidad para la fabricación de células de batería» está disponible para descarga gratuita desde ahora.