Lo cuadrado debe volverse redondo

Caracterización morfológica del electrolito sólido y del cátodo compuesto. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Electrolito para el cuerpo en polvo después del recubrimiento sobre el conductor de corriente. © Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez

Las baterías con la mayor cantidad posible de energía son especialmente demandadas para vehículos eléctricos. El Fraunhofer IPA trabaja en baterías sólidas que, con 700 vatios-hora por kilogramo, deberían tener una densidad de energía casi el doble que las baterías de iones de litio actuales. Los gemelos digitales deben ayudar a eliminar los obstáculos existentes para la producción en masa.

En el Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción y Automatización IPA, se concentran en tecnologías en las que la escalabilidad desde una muestra de laboratorio hasta la producción industrial en masa parece factible. Lo crucial es que las nuevas baterías puedan producirse con ciertas modificaciones en instalaciones existentes. Como producto final, se espera que las celdas cilíndricas en formato estándar 21700, que tienen un diámetro de 21 milímetros y una longitud de 70 milímetros, salgan de la línea de producción.

Fabricantes como VARTA AG, un socio del proyecto del Fraunhofer IPA para la investigación de baterías, no han elegido sin razón sus instalaciones para estas celdas cilíndricas. Algunas de estas celdas son más fáciles de inspeccionar en un módulo de batería y de reemplazar en caso de un posible defecto. Los espacios huecos entre las celdas permiten disipar el calor. Muchas veces, las celdas se reutilizan como portadoras de energía en otras aplicaciones después de que se desmantela la batería del automóvil. Las celdas estándar en forma de cilindro facilitan este proceso.

El material frágil presenta desafíos

Las celdas de baterías sólidas, a diferencia de las de iones de litio, no contienen líquido como electrolito, sino un electrolito sólido cerámico o sulfuros, es decir, que contienen azufre. También son una opción los electrolitos poliméricos, aunque requieren temperaturas de operación más altas, por encima de los 60 grados Celsius. Actualmente, las celdas suelen construirse en forma de pouch, rectangulares y planas. Los desarrollos actuales en electrolitos cerámicos en el IPA del Fraunhofer buscan acelerar el proceso de sinterización del material cerámico y crear en esta etapa la geometría deseada para su uso posterior en la batería. Sin embargo, la fragilidad del material hace difícil el acabado posterior y el bobinado en una celda cilíndrica.

Para su uso en celdas cilíndricas, los electrolitos sólidos sulfurosos ofrecen una ventaja decisiva. Con el procesamiento adecuado, se pueden fabricar capas flexibles que sean estables incluso con radios de bobinado pequeños. Además, la familia de sulfuros Thio-LISICON, electrolitos inorgánicos, muestra resultados prometedores en conductividad iónica a bajas temperaturas. Sin embargo, aunque los electrolitos sulfurosos tienen excelentes conductividades iónicas y podrían competir con los electrolitos líquidos orgánicos, actualmente son mucho más caros. La construcción de capacidades de producción adecuadas puede permitir una fabricación económica de estos electrolitos basados en sulfuros.

La fabricación industrial de baterías sólidas aún está lejos. Hoy en día, la mayoría de las baterías sólidas se construyen con litio como ánodo, lo que presenta desafíos específicos para el entorno de montaje. Para evitar que el material reaccione con el oxígeno o la humedad del aire, además de condiciones de sala seca costosas, a veces se requieren áreas de producción selladas adicionales con gases protectores como argón. Investigadores del Fraunhofer IPA están estudiando cómo fabricar baterías sólidas en condiciones moderadas. »Un enfoque prometedor es la deposición in situ del metal de litio. Durante la primera carga, los iones de litio presentes en el cátodo forman una capa en el conductor del electrodo negativo«, dice Duygu Kaus del Centro de Producción Digitalizada de Celdas de Batería (ZDB). Se realizarán experimentos para determinar qué material de conductor permite la mejor formación in situ del ánodo.

El gemelo digital ayuda en el desarrollo y la optimización de la producción de celdas de batería

Para determinar qué parámetros son los más adecuados para la fabricación, hasta ahora era necesario realizar extensos experimentos, no solo en laboratorio, sino también en condiciones de producción industrial escalables. El consumo de material sería alto y cualquier modificación afectaría a otros pasos en la cadena de procesos.

»Una solución más elegante es el gemelo digital. Asiste al trabajador en producción mediante sus capacidades de monitoreo, análisis y predicción«, dice Soumya Singh del ZDB. El gemelo digital es una representación virtual de pasos individuales del proceso o de líneas completas de producción, que se enriquece continuamente con datos operativos adicionales. El gemelo digital ayuda a los ingenieros a simular el comportamiento futuro de la producción con diferentes configuraciones y a evaluar sus impactos con anticipación. Alimentado con amplias fuentes de datos de la producción, el gemelo digital puede hacer afirmaciones sobre la eficiencia de pasos individuales del proceso, así como sobre los efectos de diferentes parámetros de procesamiento en la calidad de los productos intermedios, los tiempos de proceso y su estabilidad. Por ejemplo, con el gemelo digital, se puede determinar en la computadora del operador cómo deben ser los pasos de procesamiento de un electrodo para que, al final, sea lo suficientemente elástico para enrollarlo.

Tras su implementación, el gemelo digital se sincroniza con el paso de producción y se alimenta continuamente con datos actuales de la fabricación. Ahora supervisa la estabilidad de la producción y se convierte en una parte integral de la gestión de calidad.