Desde el procesamiento de materias primas hasta el reciclaje: Nuevos caminos en la fabricación de baterías

12 de 24 haces parciales en uso: La óptica de Pulsar Photonics estructura la banda de 300 mm de ancho del ánodo de la batería y mejora así la densidad de potencia y la capacidad de carga. © Pulsar Photonics GmbH / 12 de los 24 haces parciales en uso: La óptica desarrollada por Pulsar Photonics estructura la banda de 300 mm de ancho del ánodo de la batería utilizando los haces parciales individuales. Esto mejora significativamente la densidad de potencia y la capacidad de carga. © Pulsar Photonics GmbH

El láser de diodo de alta potencia del proyecto de investigación IDEEL hace que la producción en serie de baterías de iones de litio sea mucho más sostenible y económica gracias al proceso de bobina a bobina. © Fraunhofer ILT, Aachen / El láser de diodo de alta potencia del proyecto de investigación IDEEL hace que la producción en serie de baterías de iones de litio sea significativamente más sostenible y económica gracias al proceso de bobina a bobina. © Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania

Aurora Powertrains encargó al Fraunhofer ILT desarrollar un sistema de soldadura láser personalizado para su batería modular y escalable para motos de nieve. La batería, resistente al agua y al polvo, con clasificación IP67, tiene una densidad de energía de más de 190 Wh/kg. © Aurora Powertrains

Soldadura por láser de celdas de batería con láser azul. © Fraunhofer ILT, Aachen / Soldadura por láser de celdas de batería con un láser azul. © Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania

El brazo de control del coche con sensor de fuerza impreso proporciona en cualquier momento las fuerzas que actúan durante su uso y registra las grietas más pequeñas que aparecen antes de que se produzca una avería. © Fraunhofer ILT, Aquisgrán / Un brazo de control de coche con sensor de fuerza impreso mide las fuerzas que actúan durante su uso en cualquier momento y registra las grietas más pequeñas que ocurren antes de que se desarrolle una avería. © Fraunhofer ILT, Aquisgrán

En el wafer se pueden aplicar estructuras técnicas y cualquier forma geométrica mediante impresión por chorro de tinta. Luego, los elementos del altavoz se individualizan y se integran en un entorno electrónico. © Fraunhofer ILT, Aachen / Las estructuras técnicas y cualquier forma geométrica pueden aplicarse al wafer mediante impresión por chorro de tinta, mientras que la funcionalización se realiza mediante radiación láser. Los elementos individuales del altavoz se separan e integran en un entorno electrónico. © Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania

Extracción sin contacto y desoldado de componentes de placas de circuito mediante radiación láser en un proceso de reciclaje del proyecto "ADIR". © Fraunhofer ILT, Aachen / Exposición y desoldado sin contacto de componentes de placas de circuito utilizando radiación láser en un proceso de reciclaje del proyecto "ADIR". © Fraunhofer ILT, Aachen, Alemania

Con láser y IA hacia una producción de baterías sostenible: rentable y confiable en la fabricación. © Fraunhofer ILT, Aachen

Uso de láseres e IA para una producción de baterías sostenible: producción rentable y confiable. © Fraunhofer ILT, Aquisgrán, Alemania

La fabricación de baterías está en el centro de la política industrial y climática global. Con la creciente demanda mundial de almacenamientos de energía para movilidad eléctrica y aplicaciones estacionarias, también aumenta la importancia de una producción eficiente, sostenible y regionalmente independiente.

En particular, las condiciones marco de la producción de baterías plantean enormes desafíos a las empresas: La dependencia de materias primas como litio, cobalto y níquel genera tensiones geopolíticas. Al mismo tiempo, las cadenas de suministro se vuelven cada vez más frágiles debido a crisis globales y al aumento de los costes de transporte. Europa enfrenta así la tarea de construir una cadena de valor resiliente que abarque tanto la extracción de materias primas como su procesamiento posterior y el reciclaje, ya que las baterías usadas son la fuente de litio más abundante en Alemania. Además, los procesos de producción deben ser flexibles para adaptarse a nuevos conceptos de baterías, como las de estado sólido o de sodio-ion, por motivos de seguridad en las inversiones.

Ante estos desafíos, queda claro que el futuro de la fabricación de baterías en Europa solo puede asegurarse mediante el uso de tecnologías de vanguardia. Especialmente la tecnología láser ofrece soluciones para cumplir con los requisitos centrales: eficiencia, precisión y sostenibilidad. Ya sea en el procesamiento de materiales, la fabricación de electrodos o en el reciclaje: sin procesos láser innovadores, es difícil imaginar una producción de baterías competitiva y sostenible en Europa.

Preparación de materias primas y refinamiento de materiales: base de una producción de baterías sostenible

Materiales como litio y níquel siguen siendo componentes de las celdas de batería actuales. Sus propiedades químicas y físicas permiten altas densidades de energía y largas duraciones, pero su extracción y procesamiento presentan problemas complejos.

Sin embargo, las tecnologías de baterías evolucionan rápidamente, con el objetivo de minimizar el uso de materias primas raras y costosas. CATL ya presentó en 2021 una batería de sodio-ion que prescinde completamente de litio y cobalto. En abril de 2024, el fabricante chino de baterías introdujo una batería de fosfato de hierro y litio (LFP) sin cobalto, con una autonomía de más de 1.000 kilómetros. Puede cargarse en solo diez minutos con suficiente energía para 600 kilómetros, lo que equivale a una velocidad de carga de un kilómetro por segundo.

Toyota planea utilizar baterías de estado sólido en vehículos híbridos a partir de 2025. Nissan ha puesto en marcha en Japón una planta prototipo para la producción de baterías de estado sólido laminadas. Panasonic ha presentado una batería de estado sólido para drones. VW, Mercedes, Ford y BMW están a punto de introducir baterías de estado sólido o han establecido alianzas estratégicas.

Un enfoque clave para nuevas tecnologías de baterías es el refinamiento de materiales a nivel nanométrico, donde las materias primas se preparan y funcionalizan de manera específica para maximizar su rendimiento en las baterías. La sección de Tecnología de Superficies y Formas del Instituto Fraunhofer para Tecnología Láser investiga en este campo. Las tecnologías láser modernas permiten intervenciones precisas en la estructura del material y al mismo tiempo minimizan el consumo de recursos.

Otro ejemplo del uso exitoso de tecnologías láser se encuentra en la colaboración entre el Fraunhofer ILT, la cátedra de Tecnología Láser LLT de la RWTH Aachen, TRUMPF y el Instituto Alemán de Electrones Synchrotron DESY. Mediante el uso de rayos X de un acelerador de partículas, se obtuvieron conocimientos más profundos sobre los procesos de soldadura láser. Se demostró que el uso de láseres con longitud de onda verde mejora la utilización del material y reduce los residuos. Estos conocimientos no solo ofrecen ventajas tecnológicas, sino que también contribuyen a una fabricación más sostenible.

»Estos proyectos muestran que la tecnología láser innovadora no solo puede superar los desafíos en el procesamiento de materias primas, sino también posibilitar una producción de baterías en Europa que sea sostenible y competitiva», explica el Dr. Alexander Olowinsky, jefe del departamento de Unión y Separación en el Fraunhofer ILT.

Fabricación de electrodos: innovaciones para una producción sostenible

La recubrimiento de las láminas conductoras (cobre o aluminio) con los materiales de los electrodos para ánodo y cátodo y su secado posterior son pasos decisivos que influyen tanto en la densidad de energía como en la vida útil del ciclo de las baterías. Sin embargo, los métodos tradicionales de secado, basados en hornos de convección, consumen mucha energía y requieren mucho espacio, lo que limita la sostenibilidad y eficiencia de la producción de baterías.

El proyecto IDEEL (Implementación de procesos de secado láser para una producción económica y ecológica de baterías de iones de litio), financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación, muestra cómo el secado láser resuelve estos desafíos: en el proyecto, se realizó por primera vez el secado de ánodos y cátodos en un proceso de bobina a bobina mediante un láser de diodo de alta potencia. Este método reduce significativamente el consumo de energía, duplica la velocidad de secado y reduce a la mitad el espacio necesario.

»El secado láser no solo permite un proceso más eficiente, sino que también ayuda a mejorar significativamente la huella de carbono de la producción de baterías», explica el Dr. Samuel Moritz Fink, jefe del grupo de procesos de capas delgadas en el Fraunhofer ILT. Fink y su equipo desarrollaron junto con los socios del proyecto un módulo de secado láser con óptica adaptada y supervisión del proceso que garantiza un secado uniforme. Este enfoque también ofrece flexibilidad: los hornos de convección existentes pueden ser actualizados con tecnología láser, facilitando su integración en líneas de producción existentes.

En otro proyecto de investigación, el Fraunhofer ILT utiliza una óptica de múltiples haces especialmente desarrollada. Esta divide la radiación láser en varios haces parciales que trabajan simultáneamente en una banda de 250 milímetros de ancho en una lámina de ánodo de batería de litio-ion. Esta estructuración de alta precisión aumenta la densidad de energía y la capacidad de carga rápida.

La fabricación de electrodos también se beneficia de la integración de inteligencia artificial en el proceso de producción. Investigadores del Fraunhofer ILT están estudiando cómo los sistemas asistidos por IA pueden optimizar los parámetros del proceso. Tales sistemas no solo podrían aumentar la calidad y productividad, sino también sentar las bases para una fabricación autónoma.

Ensamblaje de celdas: precisión y eficiencia mediante tecnologías innovadoras

Además del secado de los electrodos, la conexión precisa de los materiales de los electrodos juega un papel central en el rendimiento y la fiabilidad de las baterías. Aquí, la soldadura láser microscópica se ha establecido como tecnología clave. Permite unir materiales como cobre y aluminio sin contacto y con alta precisión, esenciales para los electrodos de las baterías. Gracias a la baja carga térmica, la delicada química de la celda permanece intacta, mientras que la conductividad eléctrica se optimiza mediante la reducción de las resistencias de transición. La soldadura láser microscópica combina flexibilidad y eficiencia, cualidades que los métodos tradicionales de soldadura no pueden alcanzar.

Las exigencias para la soldadura láser microscópica varían según el formato de la celda, ya que cada tipo presenta desafíos específicos en la conexión. Las celdas cilíndricas requieren una profundidad de soldadura precisa para garantizar la conductividad eléctrica y evitar daños por sobrecalentamiento. La conexión del polo negativo es especialmente exigente, ya que una carga térmica excesiva puede dañar el sellado de polímero delicado, lo que podría provocar fugas del electrolito. En las celdas de tipo pouch, caracterizadas por su diseño flexible y alta densidad de energía, se deben evitar especialmente las soldaduras a través de las láminas de envoltura delicadas.

Un desarrollo prometedor en el ensamblaje de celdas es el proyecto XProLas, que TRUMPF lleva a cabo en colaboración con el Fraunhofer ILT y otros socios. El objetivo es desarrollar fuentes de rayos X compactas y accionadas por láser que permitan realizar controles de calidad en el lugar, directamente en el fabricante, en lugar de utilizar grandes aceleradores de partículas como hasta ahora. Esta tecnología permite analizar en tiempo real las celdas de batería, supervisando con precisión los procesos de carga y descarga, así como la calidad del material. En particular, el análisis del material del cátodo, que determina en gran medida el rendimiento y la durabilidad de una batería, se abre a nuevas posibilidades con este método. »Con el uso de brillantes fuentes de rayos X, podemos detectar contaminantes y defectos en el material en etapas tempranas, reduciendo significativamente los tiempos de desarrollo«, explica el Dipl.-Ing. Hans-Dieter Hoffmann, jefe del departamento de láser y sistemas ópticos en el Fraunhofer ILT.

La integración de inteligencia artificial también abre potenciales adicionales: los sistemas asistidos por IA pueden supervisar y ajustar en tiempo real los parámetros del proceso. Así, se pueden detectar y corregir desviaciones de manera temprana, sentando las bases para una fabricación autónoma. La visión de una producción «a la primera» en la que todos los componentes se ensamblan sin errores en el primer intento, se acerca cada vez más a la realidad.

Producción de módulos y paquetes: eficiencia y precisión mediante tecnologías láser

Luego, las celdas individuales se conectan en módulos o paquetes. Especialmente a nivel de módulo, la precisión es crucial, ya que la integración de varias soldaduras requiere mantener la carga térmica de las celdas delicadas en niveles seguros. Procesos láser como la soldadura microscópica permiten una adaptación a estas exigencias de manera precisa y a medida.

Una de las innovaciones centrales del Fraunhofer ILT es el desarrollo de procedimientos que permiten unir de manera segura y precisa materiales con propiedades físicas muy diferentes, como aluminio y cobre. Gracias a la tecnología láser moderna, se puede controlar la profundidad de la soldadura para no dañar las celdas delicadas.

»Esta tecnología es esencial para la producción de módulos y paquetes que deben funcionar de manera fiable en condiciones extremas, como altas corrientes y cargas térmicas«, explica Olowinsky. Un ejemplo de ello es la soldadura láser de grandes celdas cilíndricas, que se ha desarrollado en el Instituto de Aachen en colaboración con socios como EAS Batteries GmbH. Se asegura una conexión estable y duradera de las celdas para garantizar una larga vida útil y bajas tasas de fallo.

Además de la soldadura láser, se ha establecido la soldadura por láser, especialmente para conectar componentes sensibles al calor. Este método trabaja a temperaturas más bajas que los procesos de soldadura tradicionales, protegiendo así la electrónica sensible dentro de los módulos. Esto no solo aumenta la fiabilidad de los paquetes de baterías, sino que también contribuye a la eficiencia energética de la producción.

Gestión de baterías e integración de sensores: inteligencia para sistemas de baterías seguros y duraderos

La gestión de baterías es uno de los principales desafíos de los sistemas modernos de almacenamiento de energía. La seguridad, durabilidad y rendimiento de las baterías dependen en gran medida de ello, así como la aceptación de la movilidad eléctrica. Los avances en la integración de sensores y el uso de IA ofrecen posibilidades transformadoras para cumplir con estos requisitos.

Tradicionalmente, las baterías se supervisan a nivel macroscópico, lo que proporciona solo una visión limitada de los procesos complejos dentro de las celdas. Aquí, la integración de sensores durante la fabricación abre nuevas oportunidades. Investigadores del Fraunhofer ILT imprimen sensores directamente en componentes o incluso integran dispositivos inteligentes de medición. Estos sensores permiten una supervisión en tiempo real, como la medición de temperaturas, fuerzas o incluso cambios químicos dentro de las baterías.

»Con sensores fabricados por adición, podemos monitorear continuamente el estado de los módulos de baterías y reaccionar tempranamente ante posibles fallos«, explica Samuel Fink. Estos sensores tienen solo unos pocos micrómetros de grosor, son precisos y resistentes a cargas mecánicas y térmicas, lo que los hace ideales para su uso en baterías y módulos de baterías. Su capacidad para proporcionar datos de forma continua permite un mantenimiento predictivo, detectando fallos potenciales antes de que ocurran.

Sin embargo, la integración de sensores por sí sola no basta para realizar un mantenimiento predictivo. Los sensores pueden detectar cambios en la química de la celda, mientras que los algoritmos de IA analizan estos datos y hacen predicciones sobre la vida útil de las celdas. Investigadores del departamento de »Ciencia de Datos y Medición« del Fraunhofer ILT están desarrollando algoritmos asistidos por IA que analizan grandes volúmenes de datos de sensores en tiempo real. Estos sistemas también permiten ajustar dinámicamente los procesos, como la optimización de perfiles de temperatura durante el ensamblaje de celdas o la modificación de los parámetros de soldadura láser.

Reciclaje y reutilización: camino hacia la economía circular en la tecnología de baterías

Con el auge de la tecnología de baterías, crece también la necesidad de estrategias sostenibles para recuperar materias primas valiosas. Una economía circular efectiva es imprescindible para reducir la dependencia de recursos primarios y minimizar el impacto ambiental de la fabricación de baterías.

En el proyecto de la UE ADIR, el Fraunhofer ILT, junto con ocho socios de tres países, desarrolla un concepto sólido de reciclaje para dispositivos electrónicos. En el proyecto ACROBAT, se busca desarrollar un concepto para el reciclaje de baterías de fosfato de hierro y litio antes de que su uso en el mercado se generalice. El objetivo del proyecto es recuperar más del 90% de los materiales críticos. Junto con socios como Accurec Recycling, el Fraunhofer ILT trabaja en procedimientos innovadores de separación y procesamiento que sean ecológicos y económicamente sostenibles. Los expertos en láser de Aachen desarrollan aquí un método de caracterización en línea para evaluar con precisión la calidad del material activo.

El análisis por espectroscopía láser (LIBS) permite identificar y separar con precisión composiciones complejas de materiales. Los investigadores desean adaptar esta tecnología para el reciclaje de baterías usadas, mejorando la recuperación de metales como cobalto y tantalio. La integración de IA también puede analizar en tiempo real los grandes volúmenes de datos de medición láser y derivar optimizaciones de proceso. Esta supervisión asistida por IA permite ajustar dinámicamente los parámetros del proceso, reduciendo residuos y mejorando la calidad de las materias primas recicladas.

Conclusión y perspectivas

La producción de baterías está en el centro de la transición hacia la movilidad eléctrica y, por tanto, en el foco de innovaciones que combinan eficiencia, sostenibilidad y excelencia tecnológica. Las tecnologías y desarrollos presentados a lo largo de toda la cadena de producción muestran cómo los procesos láser más modernos pueden allanar el camino hacia una industria de baterías sostenible y competitiva: desde el procesamiento de materias primas, la fabricación de electrodos, el ensamblaje de celdas hasta el reciclaje. Al mismo tiempo, los sistemas de análisis y control asistidos por IA crean una nueva dimensión en el control de procesos, mejorando la calidad de producción y la sostenibilidad, además de reducir los costes de fabricación.

Perspectivamente, los circuitos de control asistidos por IA podrán permitir una producción autónoma, en la que los procesos se adapten en tiempo real a condiciones cambiantes. Además, las fuentes de rayos X accionadas por láser y las tecnologías de caracterización en línea abren nuevas posibilidades para la garantía de calidad y el análisis de materiales.