Cómo se fabrican las baterías de iones de litio paso a paso

Durante la carga, los iones de litio se desplazan del cátodo al ánodo a través del electrolito. Al usar la batería, los iones regresan, generando electricidad. Este proceso se repite numerosas veces, por lo que la fabricación de baterías de iones de litio se centra en materiales que resistan muchos ciclos de carga y descarga.

Componentes principales

Cada batería de iones de litio tiene cuatro partes principales:

• Cátodo: Durante la carga, esta capa recibe y almacena iones de litio. Durante la descarga, libera iones de litio. Generalmente está hecha de materiales como NMC (óxido de níquel-manganeso-cobalto) u óxido de cobalto de litio.
• Ánodo: Durante la carga, esta capa libera iones de litio. Durante la descarga, recibe y almacena iones de litio. Generalmente está hecho de grafito.
• Electrolito: Un líquido o gel que permite que los iones de litio se muevan entre el cátodo y el ánodo.
• Separador: Una capa delgada que impide que el cátodo y el ánodo se toquen, pero permite el paso de los iones.
• Colectores de corriente: Estas láminas metálicas (cobre y aluminio) transportan la corriente eléctrica hacia dentro y hacia fuera de la batería.

Aprenda también: Desglose de diagramas de baterías de iones de litio para principiantes

Proceso de fabricación de baterías de iones de litio

Paso n.º 1: Fabricación de electrodos

Mezcla polvos y líquidos hasta obtener una pasta espesa llamada pasta. Extiende esta pasta sobre láminas de metal, déjala secar y presiónala hasta lograr el grosor adecuado.

Paso n.º 2: Cortar las láminas en formas precisas

Utilice el corte por láser para reducir los residuos y asegúrese de que cada pieza encaje perfectamente dentro de la batería.

Paso n.° 3: Ensamblaje de la celda

Apila o enrolla los electrodos con un separador entre ellos. Este separador evita que los lados positivo y negativo se toquen.

Paso n.º 4: Llene la celda con líquido electrolítico.

Utiliza máquinas de vacío para aspirar el líquido profundamente en los diminutos orificios de los electrodos.

Paso n.º 5: Selle la celda mediante calor o soldadura.

Cierre herméticamente la batería para evitar fugas.

Paso n.º 6: Acabado de la celda

La primera carga de la batería es un proceso llamado formación. Este paso crea una fina capa protectora en el interior de la batería durante su uso.

Paso n.° 7: Prueba de envejecimiento

Almacena la batería a una temperatura constante durante días o semanas. Esto ayuda a que la batería dure más y funcione mejor.

Paso n.° 8: Compruebe que cada batería no tenga fugas, que no tenga carga y que sea segura.

Es necesario revisar cada celda antes de que salga de fábrica.

El control de calidad es fundamental en la fabricación de nuestras baterías de iones de litio. Aplicamos estrictas normas de seguridad y capacitamos a nuestros trabajadores para detectar defectos. Cada paso, desde la mezcla hasta el sellado, se verifica.

Fabricación de electrodos

Mezcla de lodos

El proceso de fabricación de baterías de litio comienza con la elaboración de una pasta espesa llamada suspensión. Este paso es importante porque prepara el terreno para el resto del proceso.

Se mezclan materiales activos, aglutinantes y disolventes. Los materiales activos pueden ser compuestos de litio para el cátodo o grafito para el ánodo. Los aglutinantes ayudan a que las partículas se mantengan unidas, mientras que los disolventes homogeneizan la mezcla.

A continuación, utilice batidoras grandes para mezclar todo hasta obtener la textura adecuada. Si la mezcla está demasiado espesa o demasiado líquida, la batería no funcionará correctamente.

Comprueba la viscosidad y asegúrate de que los ingredientes estén bien distribuidos. Esta mezcla cuidadosa te ayudará a evitar puntos débiles en la batería más adelante.

Recubrimiento y secado

Tras finalizar la mezcla, pase al paso de recubrimiento y secado.

Extienda la suspensión sobre láminas metálicas delgadas. Para el cátodo, utilice lámina de aluminio. Para el ánodo, utilice lámina de cobre. Estas láminas actúan como colectores de corriente.

Utilice máquinas especiales para recubrir la suspensión con una capa fina y uniforme. Si la capa es demasiado gruesa o demasiado fina, la batería no se cargará ni se descargará correctamente.

A continuación, se secan las láminas recubiertas en hornos grandes. El proceso de secado elimina el disolvente y deja una capa sólida de material activo sobre la lámina.

Controla la temperatura y la velocidad de secado. Si se seca demasiado rápido, pueden aparecer grietas. Si se seca demasiado lento, el proceso se alarga y resulta más caro.

Calendario

Una vez seca la capa de recubrimiento, proceda al calandrado. Esto hace que la capa quede plana y lisa.

Asimismo, controle el espesor y la porosidad del electrodo. La porosidad es la cantidad de espacio en la capa.

Si se presiona demasiado, la capa se vuelve demasiado densa y los iones no pueden moverse con facilidad; si no se presiona lo suficiente, la capa queda demasiado suelta y puede desmoronarse.

Debes encontrar el equilibrio adecuado. La porosidad y la carga de masa tienen el mayor impacto en el rendimiento de la batería.

hendiduras

Corte los rollos anchos de láminas de electrodo recubiertas en tiras estrechas. Estas tiras deben tener el tamaño adecuado para cada celda de la batería.

Para que las celdas de las baterías de iones de litio funcionen correctamente, es necesario que sus bordes sean lisos. Los bordes ásperos o irregulares pueden provocar cortocircuitos o reducir la vida útil de la batería.

Se utiliza lámina de cobre para el ánodo y lámina de aluminio para el cátodo. Estas láminas actúan como colectores de corriente.

La cantidad de cobre en una batería de iones de litio depende de su tamaño y diseño. Este cobre facilita el transporte de electricidad dentro y fuera de la batería. El costo de las baterías de iones de litio suele aumentar cuando suben los precios del cobre.

Materiales del cátodo y del ánodo

La elección de los materiales del cátodo y del ánodo determina cómo se fabrica y cómo funciona una batería de iones de litio. Para el cátodo, solemos encontrar materiales como el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC), el óxido de litio y cobalto (LCO) y el fosfato de hierro y litio (LFP).

Cada material ofrece un equilibrio diferente entre energía, seguridad y coste. El NMC es popular en los vehículos eléctricos porque almacena mucha energía y dura muchos ciclos.

Para el ánodo, el grafito es la opción más común. Algunas baterías nuevas utilizan una mezcla de grafito y silicio para aumentar su capacidad.

Ensamblaje celular

Apilamiento y bobinado

El ensamblaje de la celda comienza con el apilamiento o enrollamiento de las láminas de electrodos.

En el proceso de apilamiento, las máquinas colocan las capas de cátodo, separador y ánodo una encima de la otra en un orden preciso.

El bobinado une estas capas, como un rollo de gelatina. Ambos métodos requieren una alineación precisa. Si las capas se desplazan, la batería puede sufrir un cortocircuito o perder capacidad.

Inserción del separador

El separador es una lámina delgada y porosa que impide que el ánodo y el cátodo se toquen.

Inserte el separador entre cada capa de electrodos durante el apilamiento o el bobinado.

Este paso es fundamental. Si el separador se desplaza o se pliega, la batería podría fallar.

Soldadura de pestañas

La soldadura de pestañas conecta los electrodos a los terminales de la batería. Este paso garantiza que la electricidad pueda entrar y salir de la celda.

Cada electrodo tiene una lengüeta metálica. La lengüeta del ánodo suele ser de cobre y la del cátodo, de aluminio. Estas lengüetas se fijan a los colectores de corriente. Esto es importante para el rendimiento y la seguridad de la batería.

Los métodos más comunes son la soldadura ultrasónica, la soldadura láser y la soldadura por resistencia. Cada método tiene sus ventajas:

Llenado de electrolitos

El electrolito permite que los iones de litio se muevan entre el ánodo y el cátodo. Si hay muy poco electrolito, la batería no funcionará correctamente; si hay demasiado, la celda puede tener fugas o hincharse.

Llene las celdas al vacío para eliminar el aire y evitar la contaminación por humedad. La humedad puede reaccionar con el electrolito y dañar la batería. También es necesario controlar las condiciones ambientales, como la temperatura y la humedad, durante este paso.

Caza de focas

El sellado es el paso final en el ensamblaje de la celda. Cierre la celda de la batería para evitar la entrada de aire y humedad. Si entra aire o agua, la batería puede fallar o volverse insegura.

Utilice termosellado, sellado láser o engarzado, según el tipo de célula. Las células tipo bolsa suelen utilizar termosellado, mientras que las células cilíndricas utilizan engarzado.

Acabado celular

Formación (Carga inicial)

La etapa final de la celda comienza con la formación, también llamada carga inicial.

Este paso es uno de los más importantes en el proceso de fabricación de baterías de iones de litio. Durante la formación, cargue la batería lentamente la primera vez.

Esta carga lenta puede durar varias horas o incluso días. El objetivo principal es crear una capa sólida de interfase electrolítica (SEI) en el ánodo. Esta fina capa protege la batería y contribuye a prolongar su vida útil.

Controle la temperatura y el voltaje con mucho cuidado. Este proceso afecta la vida útil de la batería.

Inmediatamente después de su formación, mida la resistencia de la batería. Esta prueba rápida proporciona una buena indicación de su rendimiento a lo largo de su vida útil.

Envejecimiento y carga

Almacene la batería a una temperatura y estado de carga determinados durante días o incluso semanas. Este período de espera permite que la capa SEI se fortalezca y se estabilice.

Esta etapa puede durar hasta tres semanas. El proceso de envejecimiento no se trata solo de esperar. Úselo para comprobar si hay fugas, hinchazón u otros defectos.

Pruebas e inspección

Las pruebas e inspecciones son los pasos finales. Pruebas como la verificación de la capacidad, el voltaje y la eficiencia de ida y vuelta demuestran si la batería puede almacenar y suministrar energía según lo prometido.

Además, inspeccione la batería en busca de fugas, grietas u otros problemas físicos. La inspección visual abarca la carcasa, el cableado y las juntas. Busque fugas de refrigerante, problemas con los sensores y fallos en el cableado.

Desde 2018 se han notificado más de 1.300 incidencias de calidad en fábricas de todo el mundo. La mayoría de los problemas se producen a nivel de sistema y de célula, lo que demuestra la importancia de estos controles.

Embalaje

El embalaje protege las celdas de daños, humedad y aire. También ayuda a mantener las baterías seguras durante el envío y el almacenamiento.

Los tipos de envase más comunes son los cilíndricos, prismáticos y tipo bolsa.

Las celdas cilíndricas utilizan latas metálicas. Estas latas ofrecen una gran protección y son fáciles de apilar.

Las células prismáticas utilizan carcasas rígidas, a menudo de aluminio. Estas carcasas ahorran espacio y se adaptan bien a los vehículos eléctricos.

Las pilas tipo bolsa utilizan una lámina flexible. Este diseño hace que la batería sea más ligera y permite darle forma para usos especiales.

Selle herméticamente cada paquete de baterías. El aire o el agua pueden dañar la batería y provocar riesgos para la seguridad. Las fábricas utilizan termosellado, soldadura láser o engarzado para cerrar el paquete, mientras que algunas utilizan detectores de fugas de helio o pruebas de presión.

Incluya etiquetas y advertencias de seguridad en el embalaje. Estas etiquetas indican el tipo de batería, el voltaje y las normas de seguridad. Las etiquetas claras cumplen con la normativa de envío y ayudan a los usuarios a manipular las baterías de forma segura.

Innovaciones y tendencias

Nuevas químicas

Las nuevas composiciones químicas están transformando el panorama de la fabricación de baterías de iones de litio. Las baterías tradicionales utilizan cátodos de NCM (níquel, cobalto y manganeso) y NCA (níquel, cobalto y aluminio).

Estos productos dominan los mercados estadounidense y europeo y probablemente se mantendrán fuertes hasta 2030. En China, el LFP (fosfato de hierro y litio) lidera el mercado.

Los fabricantes buscan formas de reducir el coste de las baterías de iones de litio y disminuir su dependencia de materiales escasos como el cobalto y el níquel. El aumento de los precios de estos metales impulsa a las empresas a adoptar composiciones químicas con alto contenido en níquel o manganeso.

Los fabricantes de automóviles están investigando las baterías de litio-azufre y de silicio-litio-sulfuro. Estos nuevos tipos prometen una mejor reciclabilidad y una menor dependencia de materiales escasos.

La tecnología LFP es la más relevante actualmente, pero las baterías de litio-azufre y de estado sólido se consideran los próximos grandes avances. Los modelos de reciclaje y economía circular también están cobrando importancia.

Automatización en la fabricación

La automatización está transformando la forma en que se fabrican las baterías de iones de litio en las fábricas modernas. Los robots se encargan de la producción de electrodos, el ensamblaje de celdas y la construcción de paquetes de baterías. Esto reduce el error humano y aumenta la producción. Algunas fábricas operan las 24 horas del día, los 7 días de la semana, sin supervisión humana, lo que incrementa la eficiencia y reduce los riesgos.

La IA y el aprendizaje automático se utilizan para el diseño de materiales y la predicción del estado de las baterías. La ciencia de datos ayuda a gestionar la reutilización de las baterías y a prolongar su vida útil. Los sensores en línea y el aprendizaje automático mejoran el desmontaje de las baterías usadas.

Densidad energética de la batería de iones de litio

La densidad energética mide cuánta energía puede almacenar una batería en relación con su peso. La producción moderna de baterías de iones de litio alcanza actualmente hasta 300 Wh/kg.

El litio en sí tiene una capacidad específica muy alta de 3860 mAh/g.

Algunas baterías ya duran más de 2.000 ciclos, y los objetivos futuros se sitúan en 5.000 ciclos para los automóviles y el almacenamiento en la red eléctrica.

Sostenibilidad y seguridad

Las baterías alimentan nuestros dispositivos y coches, pero también queremos proteger el planeta y mantener a las personas seguras.

Las baterías alimentan nuestros dispositivos y coches, pero también queremos proteger el planeta y mantener a las personas seguras.

El reciclaje contribuye a reducir el impacto ambiental. Actualmente, solo entre el 5 % y el 10 % de las baterías de iones de litio se reciclan. El reciclaje y la reutilización son fundamentales para un futuro más sostenible.

El coste de las baterías de iones de litio no solo incluye el dinero, sino también el impacto en el mundo que nos rodea.

Esperemos que sigamos evolucionando, haciendo que las baterías sean más seguras, más potentes y más asequibles para todos.

Preguntas frecuentes

¿Qué materiales componen una batería de iones de litio?

La mayoría de las baterías contienen litio, níquel, cobalto, manganeso, cobre, aluminio y grafito. Cada material cumple una función específica en el proceso de fabricación de las baterías de iones de litio. La combinación de estos materiales influye en el coste y el rendimiento de estas baterías.

¿Cómo se fabrican las baterías de iones de litio en las fábricas?

Las máquinas mezclan polvos, recubren láminas metálicas y ensamblan las capas. Los robots apilan o enrollan las piezas, las llenan con electrolito y sellan las celdas. El proceso de fabricación de baterías de iones de litio utiliza sensores y cámaras para controlar la calidad en cada etapa.

¿Por qué cambia el coste de las baterías de iones de litio?

Los precios varían debido al costo de las materias primas, la tecnología de las fábricas y el control de calidad. Si suben los precios del níquel o del litio, aumenta el costo de las baterías de iones de litio. Una mayor automatización y el reciclaje pueden contribuir a reducir los precios con el tiempo.

¿Cómo se puede prolongar la vida útil de una batería de iones de litio?

Para mantener las baterías en buen estado, cárguelas lentamente, evite las descargas profundas y guárdelas a temperaturas frescas. El manejo de las baterías influye en su vida útil y seguridad.

¿Se pueden reciclar las baterías de iones de litio?

Sí, la mayoría de las baterías de iones de litio se pueden reciclar. El reciclaje permite recuperar metales valiosos y reduce la contaminación. Muchas empresas ya incorporan el reciclaje en el proceso de fabricación de las baterías de iones de litio para reducir los residuos y abaratar su coste.

¿Cuál es la diferencia entre fabricar baterías de iones de litio para coches y para teléfonos?

Las baterías de los vehículos eléctricos requieren celdas más grandes, más controles de seguridad y un embalaje más resistente. El proceso de fabricación de baterías de iones de litio para automóviles utiliza más robots y sensores. Las baterías de los teléfonos móviles se centran en el tamaño reducido y el peso ligero.

¿Cómo se garantiza la seguridad de las celdas de baterías de iones de litio?

Se utilizan separadores, sellos herméticos y pruebas rigurosas. Las fábricas verifican que no haya fugas, hinchazón ni cortocircuitos. El proceso de fabricación de las baterías de iones de litio incluye numerosas medidas de seguridad para protegerle a usted y a sus dispositivos.