La aplicación de la ciencia: hacer que las baterías de iones de litio sean seguras y éticas

Las baterías de iones de litio (LiB) están impulsando esta revolución verde, proporcionando una fuente de energía recargable y de alta capacidad, muy superior a cualquier otra opción de batería disponible comercialmente.

Se proyecta que el mercado de las LiB alcanzará los 100 mil millones de dólares para 2025, frente a los 30 mil millones de dólares en 2017. Sin embargo, este camino no ha estado exento de desafíos. Los fabricantes buscan constantemente formas de aumentar la producción de LiB de manera rápida y asequible para satisfacer la demanda, pero deben hacerlo cumpliendo con los requisitos de control de calidad y seguridad de una fuente de energía potencialmente peligrosa y volátil. Las baterías de iones de litio deben manejarse con cuidado, y un enfoque meticuloso en el proceso de producción en etapas iniciales es fundamental. Es por esto que la ciencia debe aplicarse si la industria de vehículos eléctricos, dependiente de las LiB, quiere evolucionar de manera sostenible y exitosa.

El caso de la instrumentación científica

El principal problema con las baterías de iones de litio (LiB) es que son propensas a sobrecalentarse y explotar, lo que potencialmente puede causar incendios que destruyan un vehículo entero. De manera menos dramática, también tienden a tener una vida útil corta debido a la recarga constante que se les debe hacer.

La tecnología de iones de litio también tiene desventajas en lo que respecta al medio ambiente. La extracción de las materias primas necesarias requiere grandes cantidades de energía y agua. Para producir una tonelada de litio, se necesitan aproximadamente 500,000 litros de agua, lo que puede tener efectos colaterales como la contaminación de reservorios y problemas de salud asociados. Además, las condiciones de extracción del litio a gran escala son notoriamente inseguras para los trabajadores. Por lo tanto, una mejor reciclaje y un aumento en la vida útil de las LiB son cruciales si queremos minimizar la necesidad de extraer grandes cantidades de sus materias primas.

La instrumentación científica de las LiB aborda todos estos desafíos. Usando instrumentos científicos, se puede aplicar un enfoque meticuloso y sistemático para obtener la más alta calidad de LiB, con los mejores niveles de homogeneidad y seguridad. Cuando se reciclan en un laboratorio, las baterías son selladas y desgasificadas. Esto es necesario tanto por razones de rendimiento como de seguridad, lo que significa que no pueden abrirse para reparaciones en un taller mecánico. Cuando la vida útil de una batería finalmente termina y debe ser reemplazada por una nueva unidad, debe someterse a un proceso en el que se reduce, tritura y recicla. Este proceso se ajusta constantemente para satisfacer la creciente demanda y equilibrar tanto las consideraciones económicas como ecológicas.

Escoger la herramienta adecuada

El instrumento científico adecuado siempre es fundamental para obtener los datos necesarios para el aseguramiento y control de calidad (QA/QC) de cualquier material. En el caso de las baterías de iones de litio (LiB), ese trabajo se divide en varias partes. Una batería tiene dos electrodos (ánodo y cátodo), y una capa separadora que divide los electrodos entre sí. Hay un electrolito conductor de iones que llena los poros de los electrodos y el espacio dentro de la celda.

La producción de LiB es un proceso complejo que implica varios pasos clave, con una alta precisión requerida para garantizar la calidad y el rendimiento final de la batería. El proceso científico sistemático para la fabricación de LiB es el siguiente:

1. Combinación – Los materiales precursores para el cátodo y el ánodo se combinan, formando suspensiones donde reaccionan, lo que da lugar a pequeñas partículas de los materiales finales. La producción de la suspensión no solo requiere materiales activos, sino también aditivos conductores, disolventes y aglutinantes.
2. Recubrimiento – A continuación, estas suspensiones de partículas se recubren sobre el colector de corriente a través de tuberías o en tanques de almacenamiento sellados.
3. Prensado en rodillos – Las capas de electrodos se aplanan uniformemente mediante prensado, para que se puedan construir capas homogéneas.
4. Corte – Mediante ranurado y muescado, los electrodos se cortan en piezas del tamaño de la batería. Este proceso implica cortar las hojas al tamaño deseado y alternar capas de ánodo y cátodo con otras, como membranas o aislantes, de manera similar a un pastel. Esto permite acumular la máxima cantidad de energía con el peso mínimo posible.
5. Ensamblaje de celdas – Los electrodos y las películas separadoras se apilan para construir la batería tipo pouch. El corte de los electrodos se puede realizar mediante un enfoque de punzonado mecánico o una técnica de separación por láser.
6. Inyección – El electrolito se introduce en la celda con la ayuda de una aguja de dosificación de alta precisión, asegurando una correcta introducción bajo condiciones de vacío. Es un paso crítico debido a consideraciones de seguridad y calidad.
7. Formación – La primera carga de la celda, crucial para la formación de la capa de Interfaz de Electrolito Sólido (SEI) y el rendimiento de la batería. Cuando se realizan ciclos de carga-descarga, se permite que las baterías se estabilicen.
8. Desgasificación – El proceso de desgasificación del electrolito se realiza en un vacío para asegurar que los iones de litio puedan moverse libremente, permitiendo una carga y descarga eficientes. El gas formado durante la carga, especialmente en las celdas tipo pouch, se elimina para disminuir la posibilidad de un riesgo de incendio. Si se omite el paso de desgasificación, una gran parte del gas evolucionado se consume con el tiempo. También es esencial eliminar los gases y contaminantes para mantener la pureza de la electroquímica, optimizando el rendimiento y la vida útil de las celdas de batería.
9. Acabado y envejecimiento celular – Las celdas se monitorean a temperaturas controladas.
10. Inspección final – El producto terminado debe someterse a una inspección final exhaustiva dentro de una caja hermética, con conectores metálicos a las capas de ánodo y cátodo.
11. Pruebas – Antes del envío, la batería de iones de litio (LiB) debe ser probada varias veces con ciclos de carga y descarga

Cada paso debe ser minuciosamente examinado utilizando la técnica más adecuada. Por ejemplo, el tamaño y la composición de las partículas de ánodo y cátodo en el primer paso deben observarse mediante microscopios electrónicos de barrido. Para cada etapa, expertos en instrumentación científica identificarán las características de calidad más cruciales y las más delicadas y propensas a fallos.

Además del monitoreo tradicional de temperatura o humedad, el control de producción de las LiB puede requerir el uso de microscopios ópticos metalográficos, pruebas de dureza o dispositivos de alta tecnología como microscopios electrónicos equipados con espectroscopía de difracción electrónica. El uso de estas técnicas también exige métodos específicos de preparación de muestras, como sierras de corte de precisión, pulido mecánico o electroquímico, y herramientas de haz de iones enfocado o amplio.

La ausencia de defectos o contaminación solo puede determinarse mediante procedimientos de control de calidad, que son realizados por personal científico en instalaciones de fabricación, a veces en sus propios laboratorios de control de calidad a través de muestreo, y a veces en línea, es decir, en tiempo real durante el proceso de producción de manera automatizada.

Los resultados de calidad deben ser documentados y ser trazables para cada paso, ya que las empresas compradoras deben auditar a sus fabricantes para asegurar que no engañen y que están comprando materiales fiables y seguros. El producto terminado, sea lo que sea, debe ser entregado con resultados de pruebas. Existen muchas regulaciones y trámites relacionados con la calidad y la seguridad. A veces, incluso puede haber una o más técnicas de análisis “oficiales” que son obligatorias en una región particular.

Los beneficios de la ciencia rigurosa

En el entorno en rápida evolución de las Gigafactorías, los fabricantes están ansiosos por lograr más con su producción de baterías LiB en términos de productividad, escala de demanda, eficiencia de costos y sostenibilidad. Al garantizar la calidad del producto desde el principio en la producción, es posible alcanzar estos objetivos.

Los beneficios de una rigurosa instrumentación científica para las LiB en las gigafactorías incluyen:

• Evitar defectos en el proceso de producción que resulten en el desecho del producto y costos innecesarios que podrían haber sido evitados si los defectos se hubieran detectado antes en el proceso de fabricación.
• Prevenir la combustión espontánea de celdas de iones de litio que pueden ocurrir bajo condiciones de estrés o abuso mecánico, térmico o eléctrico.
• Certificar el cumplimiento del producto final para que cumpla con las especificaciones técnicas objetivo y los estrictos requisitos regulatorios. El Reglamento de Baterías de la UE se convirtió en ley en julio de 2023 y contiene obligaciones que requieren que las empresas identifiquen, prevengan y aborden los riesgos sociales y ambientales vinculados a la obtención, procesamiento y comercio de materias primas como el litio. El fabricante debe cumplir con la elaboración de cierta documentación técnica como prueba y está sujeto a vigilancia.
• Garantizar que el producto terminado recibido se entregue conforme a las especificaciones para evitar quejas de los clientes, reembolsos y costosos reprocesamientos.

Una correcta implementación del análisis de instrumentación científica, de principio a fin, ayuda a mantener la calidad en una amplia gama de procesos de producción, desde el procesamiento de materias primas y el control de calidad de producción hasta la inspección final. Es importante recordar que incluso defectos muy pequeños pueden impactar significativamente en el rendimiento del producto final, su vida útil o incluso su seguridad.

Asumiendo la responsabilidad ética

Las baterías de iones de litio son cruciales no solo para impulsar el mercado de vehículos eléctricos (EV), sino también para habilitar nuestro mundo moderno y garantizar un futuro bajo en carbono para todos. Es en el mejor interés de todos asegurar que estas baterías sean seguras, limpias y duraderas.

El reciclaje y el aumento de la vida útil de las LiB son clave para reducir la necesidad de extraer grandes cantidades del material precioso y así disminuir su impacto en nuestro planeta. Los procesos científicos de LiB y la calidad del producto son parámetros importantes que afectan la vida operativa de los productos finales y su durabilidad.

Las técnicas analíticas científicas avanzadas también están detrás de los nuevos desarrollos en la ciencia de baterías alternativas, ayudando a gestionar el ciclo de vida de estas baterías de manera responsable. Por ejemplo, ya se están realizando rápidos desarrollos en el uso de la tecnología blockchain para obtener datos en tiempo real y rastrear las materias primas. Esto ayuda a recopilar datos sobre las condiciones y el rendimiento de las baterías, desde el momento en que se extraen las materias primas hasta su uso efectivo en una batería de EV.

Es esencial que los responsables de políticas y los interesados de la industria permanezcan atentos en su evaluación de las opciones más ambientalmente sostenibles para el futuro de los vehículos eléctricos. En lo que respecta a las baterías de iones de litio, la industria debe invertir en soluciones alternativas, al mismo tiempo que remedia y reduce el impacto de la extracción de litio. El reciclaje y el aumento de la vida útil de estas baterías son clave para reducir la necesidad de extraer grandes cantidades de un material finito y valioso. Este esfuerzo debe ir acompañado de nuevas operaciones de minería de litio con estrictas leyes y regulaciones ambientales e inversión en métodos de extracción avanzados capaces de obtener litio del agua de mar.

Por Thierry Grenut,  Director de Ventas, en Milexia Francia (Unidad de Negocio de Instrumentación Científica )

Visto en Electro Optics, Julio 2024