Nuevos puntos de referencia en la producción de baterías con eficiencia de CO2: producción de electrodos (secos)
La demanda de baterías de iones de litio crece continuamente. Sólo en Europa, se espera que las capacidades de producción se multipliquen por diez para 2030/35, incluso si a la exageración y las expectativas exageradas de los últimos años les sigue actualmente el punto más bajo de la desilusión. El requisito previo es que los fabricantes de sistemas de almacenamiento de energía logren trabajar junto con sus socios tecnológicos para que el proceso de producción sea lo más eficiente posible. Por un lado, los fabricantes europeos de baterías sólo podrán ser competitivos en el mercado mundial si al menos pueden compensar los mayores costes de la electricidad en Europa, de una media de 20 ct/kWh, en comparación con los precios de la electricidad industrial de alrededor de 8,5 ct/kWh en otros países como como China, Estados Unidos o Corea del Sur. En segundo lugar, se debe implementar la exigencia de la Unión Europea: los actuales 27 estados miembros de la UE deben alcanzar la neutralidad climática para 2050.
El primer paso es lograr una reducción del 55 % de las emisiones de gases de efecto invernadero de aquí a 2030 en comparación con 1990. Por lo tanto, no sólo los fabricantes de células de baterías de iones de litio para electromovilidad y sistemas estacionarios de almacenamiento de energía deben tomar medidas rápidas si quieren lograrlo. este ambicioso objetivo. El Reglamento de Baterías de la UE recientemente introducido obliga a los fabricantes a declarar la huella de carbono de sus productos a partir del 18 de febrero de 2025, para que se puedan identificar baterías verdaderamente ecológicas y las ganancias de eficiencia en la tecnología de producción se hagan visibles.
Palancas importantes para una mayor eficiencia energética en las gigafábricas se encuentran en la producción de electrodos, particularmente en el primer paso de producción: la mezcla. Para la producción de electrodos húmedos se utilizan de forma estándar mezcladores planetarios. Sin embargo, los procesos de mezcla alternativos, como el mezclador Eirich, funcionan significativamente mejor en comparación con el consumo de energía, las emisiones de CO2, las necesidades de espacio y los costes y, por lo tanto, se están abriendo camino cada vez más en las gigafábricas globales. Con los mezcladores Eirich, una empresa que ha desempeñado un papel activo en el desarrollo de la tecnología de mezclado industrial durante más de 100 años, en la versión MixSolver®, es posible ahorrar costos de energía y CO2 del 90% y más solo en el procesamiento húmedo (1).
Los expertos y fabricantes de células también ven potencial para un proceso de producción de electrodos aún más eficiente en common en electrodos secos innovadores. Se esperan nuevos ahorros significativos de alrededor de dos dígitos. Hoy en día, el recubrimiento y el secado, incluida la recuperación de disolventes, representan alrededor del 20 % de los costes de fabricación y alrededor del 45 % del consumo de energía y, por tanto, de las emisiones de CO2 (2). En el mejor de los casos, estos pueden eliminarse casi por completo.
Potencial de optimización mediante electrodos secos.
En vista de los desafíos que enfrenta esta industria, es importante no sólo seguir desarrollando la producción de electrodos de manera evolutiva, sino también tener el coraje de abrir nuevos caminos. Tesla dio un gran impulso a cambios tecnológicos innovadores en su Battery Day 2020 con la presentación del proceso de electrodo seco. Se remonta a los desarrollos de Maxwell para supercaps en 2014 (3). Si bien todos los fabricantes de células trabajaban esencialmente en el procesamiento húmedo clásico antes de 2020, el trabajo de investigación international, universitario y no universitario, para electrodos secos aumentó dramáticamente debido al potencial de reducción de costos prometido por Musk. Además, hay un trabajo de desarrollo industrial aún más intensivo, como el de Tesla, baterías am, Sakuu y Licap o los publicados recientemente por LG, Samsung SDI, PowerCo y otros OEM europeos.
Los electrodos secos ahorran espacio
El proceso de electrodo seco elimina el paso de recubrimiento y secado, así como el post-secado al vacío de las bobinas. Las mezclas de polvo se transforman normalmente en electrodos en calandras de rodillos múltiples calentadas modificadas. Además de la eliminación completa de todos los líquidos utilizados, estos no tienen que ser evaporados, condensados o, en el caso de disolventes, reprocesados. Los tramos de secado de 50 a 100 m de longitud entre los cabezales de laca, que actualmente determinan las dimensiones del edificio, ya no son necesarios. Esto también se aplica a los sistemas de generación de aire caliente y de filtrado/condensación para el suministro/eliminación de aire de secado a los secadores, a los generadores de agua fría para los condensadores y a los sistemas de destilación para el reprocesamiento del NMP separado del aire de escape.
Por lo tanto, la estructura del edificio de la Gigafábrica se puede reducir significativamente en tamaño, lo que se traduce en ahorros correspondientes en construcción y operación (4).
Mezclas secas estructuradas libres de segregación como base.
Actualmente compiten dos procesos de producción conceptualmente diferentes con diferentes niveles de TRL.
– Producción de una mezcla de polvo con posterior aplicación del polvo mediante pulverización, brocha, impresión, con o sin ayuda electrostática, sobre la lámina colectora de corriente y posterior calandrado en caliente (5)
– Producción de una mezcla de polvo con fibrilación superpuesta de PTFE para obtener una mezcla moldeable y elásticamente plástica, que se transforma en una película independiente en una ranura de calandra y luego se lamina directa o por separado sobre la lámina colectora de corriente (4).
En ambos casos se requieren mezclas secas de electrodos estructurados y libres de segregación. Una posibilidad para lograrlo es recubrir las superficies de las partículas de materiales activos con negro de carbón conductor, para producir un compuesto libre de segregación que no se separe nuevamente en la ruta de procesamiento posterior en el electrodo y conduzca a propiedades de electrodo no uniformes. Altas fuerzas de corte, como las presentes en el mezclador Eirich, son un requisito previo para realizar un recubrimiento de carbono.
El aglutinante polimérico debe mezclarse de forma irreversible y homogénea y, en caso de utilizar PTFE, también debe descomponerse mediante un management específico de la temperatura y un alto cizallamiento en fibras finas de micro y nanómetros de espesor, las llamadas fibrillas. Las fibrillas se unen para formar una estructura related a una telaraña, lo que hace que la mezcla sea moldeable o enrollable hasta formar una película estable. La mezcla fibrilada, altamente plástica, difícil de manipular y dosificar, se puede transformar en una estructura granulada o en polvo, fácil de transportar y dosificar, mediante un management específico de la temperatura en el mezclador Eirich. Esta mezcla seca estructurada es fácil de almacenar y puede introducirse uniformemente en los huecos de la calandria, donde se puede enrollar en varias etapas hasta formar una fina película.
Desafíos especiales
El procesamiento de una mezcla de polvo completamente seca en un electrodo presenta una serie de nuevos desafíos.
- Logro de películas delgadas flexibles, independientes y estables con un espesor de 50 a 80 µm (las películas gruesas y estables son relativamente fáciles de producir). Las películas se vuelven cada vez más quebradizas con cada paso de laminado adicional si la mezcla no es lo suficientemente blanda y maleable.
- Producción de películas absolutamente uniformes a lo ancho con bordes afilados en la lámina colectora
- Producción de películas de electrodos anchas de hasta, por ejemplo, 1,2 m de ancho, como hoy en día en recubrimiento húmedo o, alternativamente, varias pistas de electrodos paralelas en una lámina colectora.
- Management del desgaste/abrasión de las piezas de la máquina en contacto con CAM como NCM o SiOx que contienen materials de ánodo: el alto desgaste provoca la entrada de hierro, cut back la vida útil de las piezas de la máquina, aumenta la chatarra y, finalmente, produce altos costos de mantenimiento y tiempo de inactividad.
- Contenido de aglutinante frente a cantidad de partículas ultrafinas < 1 µm (p. ej., carbón conductor, finos de LFP). Normalmente, más finos necesitan más aglutinante para compensar la mayor superficie de las partículas, lo que es contraproducente desde el punto de vista electroquímico.
- Pérdida de capacidad y problemas de estabilidad en el ánodo por el uso de PTFE
- Manipulación, almacenamiento y dosificación de pequeñas cantidades y alta precisión de PTFE prístino fácil de fibrilar
- Transferencia y almacenamiento de mezcla seca estructurada entre la planta mezcladora y la producción de electrodos sin cambio (negativo) de las propiedades del producto, seguido de
- Dosificación precisa y uniforme de una mezcla elástica y fibrilada de plástico en grandes espacios de alimentación en la calandria.
- Reciclaje de los bordes de la película del electrodo cortado: la manipulación de los recortes de bordes finos y el retorno del 100% al proceso de fabricación es esencial para la eficiencia económica del proceso common.
Tecnología de mezcla innovadora
Los mezcladores planetarios son completamente inadecuados para esta tecnología debido a las bajas velocidades de las herramientas y la densidad de energía. Por tanto, es necesaria una nueva tecnología de mezcla. Como alternativa para la producción de mezclas de electrodos secos, a menudo se proponen combinaciones de sistemas de mezcla simples, como mezcladores en V/de tambor de bajo cizallamiento con barra intensificadora con molinos de chorro de aire aguas abajo. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el consumo de energía de los molinos de chorro de aire es extremadamente alto y que la descarga y manipulación seguras de las masas plásticas elásticas resultantes representan un gran desafío.
Los mezcladores Eirich, por el contrario, convencen. Todo el proceso se puede llevar a cabo en un solo recipiente sin problemas y se puede controlar de forma excelente. No hay ninguna diferencia significativa si se producen mezclas de polvos libres de segregación para la aplicación de polvo o mezclas estructuradas bien moldeables para la formación de películas independientes. El management del proceso y la secuencia de adición son decisivos para el éxito. Para procesos tan exigentes, el mezclador Eirich con refrigeración de doble camisa ofrece la máxima flexibilidad y posibilidades casi ilimitadas.
Si bien la producción de electrodos húmedos se ha optimizado continuamente durante décadas, la producción de electrodos secos aún está en su infancia. Por lo tanto, la producción reproducible de mezclas secas finamente estructuradas cuya estructura de partículas y distribución de tamaño se pueda controlar es la clave para la producción eficiente de electrodos secos con buenas propiedades electroquímicas. Además de decenas de mezcladores de laboratorio actualmente en uso, para optimizar el proceso de fabricación ya se están poniendo en funcionamiento con éxito las primeras plantas piloto con mezcladores Eirich en escalas de MWh y GWh. Eirich ha asumido la gran mayoría de los retos anteriormente enumerados y ha desarrollado para sus clientes en los últimos años soluciones técnicas más allá del mezclador, que han sido implementadas en plantas piloto o lo serán en un futuro próximo.
Conclusión
Las baterías deben volverse “más ecológicas” y más rentables. Ahorrar electricidad, reducir las emisiones de CO2 y minimizar las necesidades de espacio son los principales objetivos que persiguen actualmente los fabricantes de sistemas de almacenamiento de energía. En la producción de electrodos, especialmente en la tecnología de mezcla, se encuentran palancas importantes. Las soluciones de Eirich en explicit ofrecen ventajas en términos de coste, flexibilidad y eficiencia, ya sea para la producción de electrodos húmedos o secos.
Permiten ahorros significativos en costos de CAPEX y OPEX y también son una pieza essential del rompecabezas en la producción de baterías ecológicas de bajo costo con una huella de CO2 pequeña y verificable.
Dr. Stefan Gerl, Director de Proyecto LIB y Jefe de Tecnología de Procesos Eirich
Referencias
(1) Gerl, S.; Una (r)evolución seca para electrodos LIB; Tecnología verde eficiente, págs. 6-9, 1/2024,
(2) Liu Y.; Zhang, R.; Wang, J.; Wang, Y.; Fabricación precise y futura de baterías de iones de litio, iScience, Volumen 24, Número 4, 2021, https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102332.
(3) Tesla, Asamblea Anual de Accionistas de 2020 y Día de la Batería; https://www.tesla.com/2020shareholdermeeting
(4) Yang, L.; Chen-Zi, Z.; Hong, Y.; Jiang-Kui, H.; Jia-Qi, H.; Qiang, Z; La tecnología de electrodos secos, la estrella en ascenso en la industrialización de baterías de estado sólido; Asunto 5, 876–898, 2 de marzo de 2022
(5) Ludwig, B., Zheng, Z., Shou, W. et al. Fabricación sin disolventes de electrodos para baterías de iones de litio. Representante científico 6, 23150 (2016). https://doi.org/10.1038/srep23150