La fabricación de celdas de batería impone altas exigencias al sala limpia

Incursión en áreas fronterizas de la física: fabricación de una nueva generación de baterías para autos eléctricos permite solo una humedad relativa máxima del 2 por ciento

Desde hace aproximadamente veinte años, los vehículos con propulsión eléctrica están en el mercado. Que aún no se hayan consolidado ampliamente, a pesar de su eficiencia energética y respeto al medio ambiente, se debe principalmente a la limitada autonomía de los vehículos eléctricos: en las baterías disponibles hasta ahora, solo se puede almacenar y transportar una cantidad relativamente pequeña de energía. Para que los autos eléctricos puedan recorrer distancias más largas, las celdas de energía deben ser más ligeras y duraderas. Por ello, Volkswagen y Varta Microbattery fundaron una sociedad de investigación conjunta para estudiar y aumentar la capacidad de las baterías de iones de litio para su uso en vehículos. Sin embargo, la fabricación de las delicadas celdas de batería también requiere condiciones de producción muy estrictas. El constructor de salas limpias Nerling tuvo que llegar a los límites de lo físicamente posible y desarrollar una sala limpia con una humedad constante máxima del 2 por ciento.

?Por lo general, la humedad relativa en salas limpias se sitúa entre el 40 y el 60 por ciento, y esto se considera cómodo para las personas?, explica Olaf Nerling, director general de Nerling Systemräume GmbH. En el sector automotriz, en cambio, ya se exige un 35 por ciento para evitar riesgos de óxido por la humedad. En la industria farmacéutica, donde se procesan ingredientes finamente molidos en polvo, la humedad relativa puede ser incluso solo del 10 por ciento. ?Las exigencias más altas provienen, sin embargo, del campo de la ingeniería eléctrica?, informa Nerling. ?En la fabricación de celdas de baterías de iones de litio en la sociedad de investigación Volkswagen Varta Microbattery mbH & Co KG, se requiere una humedad máxima del 2 por ciento, lo que implica una sequedad extrema.?

La humedad en la fabricación deteriora el rendimiento de las baterías

El objetivo de la cooperación entre Volkswagen y Varta Microbattery es mejorar la fiabilidad, durabilidad y densidad energética de las baterías para vehículos eléctricos mediante el desarrollo de propias celdas de iones de litio. ?Nuestra visión es que, agrupando muchas innovaciones, incluso pequeñas, hagamos que Alemania, especialmente frente al mercado asiático, sea competitiva a nivel internacional como lugar de producción?, afirma el Prof. Dr. Werner Schreiber, director general de la sociedad de investigación Volkswagen Varta Microbattery mbH & Co. KG.

En la producción de estas celdas de batería, los materiales utilizados están expuestos a influencias del entorno. ?Las pastas para los electrodos se aplican sobre láminas metálicas, luego se secan, se calandran y se cortan?, explica Schreiber el principio básico de fabricación. ?Estas láminas de electrodos se enrollan junto con un separador. El conjunto de electrodos forma el núcleo de la celda de batería.? Sin embargo, si las sustancias químicas están expuestas a humedad durante el proceso en la calandra, cambian sus propiedades. ?Por eso, la sala de producción debe ser extremadamente seca, porque de lo contrario la calidad y fiabilidad de la celda de batería se verían afectadas?, dice Schreiber. ?Además, la vida útil de la batería se acorta si durante su fabricación estuvo expuesta a una humedad excesiva en el ambiente.?
Secado por adsorción como nuevo método en tecnología de climatización

Como la tecnología de climatización convencional no puede alcanzar una humedad en el ambiente tan baja como el 2 por ciento, Nerling, junto con un socio de cooperación, utilizó un método aún relativamente nuevo: el secado por adsorción. La deshumidificación se realiza mediante un rotor compuesto por una estructura de fibra de vidrio en forma de onda, que contiene gel de sílice como medio de adsorción. ?El aire del proceso se sopla a través del rotor para deshumidificarlo, cede su humedad al medio de adsorción y sale como aire seco en la sala limpia?, explica el director general. ?Al girar, se introduce aire caliente en una zona separada, que remueve la humedad acumulada del rotor y la expulsa al exterior.?

Otro desafío para la deshumidificación permanente fue determinar el grado exacto de humedad. ?Aquí estamos llegando a los límites de lo físicamente posible?, dice Nerling. ?Los sensores habituales no pueden detectar valores tan bajos como un 2 por ciento de humedad relativa o menos.? Los sensores de humedad deben ser capaces de detectar moléculas individuales de agua. Por ello, se recurrió a otra técnica de medición: ahora la humedad en la sala limpia se determina mediante sensores de temperatura de punto de rocío especiales. Un 2 por ciento de humedad relativa equivale a una temperatura de punto de rocío de -30°C. ?Con este método de medición alternativo, se puede determinar una sequedad hasta un punto de rocío de -90°C?, afirma Nerling. ?En un próximo proyecto, intentaremos por primera vez alcanzar una humedad relativa inferior al 1 por ciento o un punto de rocío de -60 grados mediante este método.?

Solución completa incluyendo grúa

La sala limpia de 15,5 x 5,6 metros fue instalada en un pabellón de la sociedad de investigación Volkswagen Varta Microbattery en Ellwangen, bajo condiciones de producción, y conectada a una sala seca existente mediante una puerta de enlace. Otros requisitos incluían una temperatura ambiente de 20°C y una limpieza según la clase ISO 8. ?Además, además del factor costo, la rapidez en la entrega y el cumplimiento de los plazos fueron aspectos importantes, ya que debíamos respetar estrictamente las fechas de entrega y montaje de las demás instalaciones?, explica Schreiber.

Lo que llevó a la contratación del constructor de salas limpias de Baden-Württemberg fue su amplio conocimiento en todas las áreas. Por ejemplo, se necesitó una grúa de 10 toneladas en la sala limpia, para poder retirar la rodadura del calandor para revisiones. ?Nerling fue el único proveedor que pudo ofrecernos una solución llave en mano que incluyera sala limpia, tecnología de climatización y grúa?, justifica Schreiber su decisión. Dado que la calandra tiene las dimensiones más grandes en la sala limpia, su altura en ese punto debía superar los 5,5 metros. Para evitar un espacio muerto no utilizado sobre el resto del área y, por tanto, costos innecesarios de climatización, la altura de la sala se diseñó en gran medida en 3,3 metros, con solo una cúpula sobre la calandra.

Chapa de aluminio que previene daños por cargas electrostáticas

?Otro problema con solo un 2 por ciento de humedad relativa es que, a través del aire y de un suelo de PVC convencional, no se pueden disipar cargas electrostáticas?, explica Nerling. Esto, sin embargo, puede causar chispas al activar el control de las máquinas, lo que podría dañar los equipos. La solución es una estructura de suelo impermeable a la difusión de vapor, con chapa de aluminio, desarrollada específicamente por el constructor de salas limpias. Esta base asegura la disipación de cargas incluso en condiciones de humedad extremadamente baja. La hermeticidad de toda la instalación también es fundamental para mantener la humedad constante. Las paredes exteriores y las ventanas de la sala limpia están ajustadas con precisión para evitar rendijas de aire hacia la nave de producción circundante. Como acceso, hay una esclusa de material y otra para personas, ambas con puertas de cierre mutuo, para impedir la entrada de humedad. La segunda puerta al interior solo se abre después del llamado período de lavado, cuando el sistema de climatización ha eliminado la humedad.

En este entorno de producción adaptado a las necesidades específicas, ya se llevan a cabo investigaciones del consorcio para optimizar la química de las celdas de batería y la metodología de fabricación. El proyecto de cooperación entre Volkswagen y Varta Microbattery tiene una duración inicial de cuatro años y cuenta con financiación del Ministerio Federal de Economía y Tecnología. ?Si el interés en la movilidad eléctrica continúa creciendo en nuestra sociedad y el proyecto piloto tiene éxito, planeamos una gran planta para la producción en serie de estas celdas de batería para autos eléctricos?, afirma Schreiber con visión de futuro.

Imagen: Nerling Systemräume GmbH