Los dispositivos modernos como teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles y vehículos eléctricos suelen usar baterías de iones de litio (Li-ion) para almacenar energía. Estas baterías funcionan moviendo iones de litio entre dos electrodos—uno positivo y uno negativo—durante los ciclos de carga y recarga para facilitar el almacenamiento y liberación de energía.

La fabricación de baterías es un proceso complejo. Uno de los primeros pasos en la producción de baterías Li-ion es la fabricación de los propios electrodos, generalmente mediante el uso de lodos compuestos de varios productos químicos. Los pasos posteriores incluyen el secado de los electrodos en un horno; el ensamblaje de los electrodos en una celda; el llenado de las celdas con una solución electrolítica; y finalmente el desgasificado y sellado de las mismas.

¿Cómo se utiliza el vacío en la fabricación de baterías?

La primera parte de la construcción de una batería es la fabricación de los electrodos. Para ello, se recubren láminas metálicas con pastas de diferentes materiales: típicamente óxido de cobalto-litio o fosfato de hierro-litio para el cátodo y grafito para el ánodo.

Al preparar estas pastas, el grafito u óxidos metálicos se mezclan junto con diversos disolventes y agentes aglutinantes. Esta mezcla puede tardar bastante tiempo debido a la alta viscosidad, lo que a menudo genera burbujas de aire atrapadas en la mezcla. Por ello, normalmente se aplica vacío al tanque de mezcla, lo cual hace que las burbujas de gas atrapadas se expandan y asciendan fuera del líquido, dejando una pasta homogénea.

Una vez que los electrodos están recubiertos con esta mezcla, normalmente se introducen en un horno de vacío. En este caso, el vacío se aplica para evaporar los disolventes residuales y dejar únicamente un recubrimiento sólido de óxido metálico o grafito sobre los electrodos.

Después de fabricar los electrodos, se ensamblan en una celda, generalmente apilados o enrollados junto con un separador entre ellos. Este material separador es poroso y se impregna con una solución electrolítica líquida que facilita el movimiento de los iones de litio entre el ánodo y el cátodo.

Cuando las baterías se llenan con esta solución electrolítica, es importante desgasificarlas nuevamente en condiciones de vacío. Cualquier burbuja de gas atrapada en el líquido puede obstaculizar el movimiento de los iones de litio, limitando la eficiencia de la batería. Además, cualquier otro contaminante de etapas previas de fabricación, como disolventes residuales, debe eliminarse mediante evaporación. La pureza de la química de la batería es absolutamente crucial para garantizar el rendimiento óptimo y la longevidad de las baterías.

Una vez llenas las celdas de la batería, estas se sellan al vacío. Normalmente, esto se hace con un envoltorio plástico que asegura que cada celda quede bien contenida y libre de contaminantes ambientales o humedad.

A continuación se muestra un esquema que enseña algunas de las aplicaciones del vacío en la producción de baterías y cómo un regulador de vacío EVR de Equilibar puede utilizarse para controlar el proceso.

Esquema de tres aplicaciones de vacío en la producción de baterías donde se utilizan válvulas de vacío Equilibar

¿Por qué Equilibar es la mejor solución de control de vacío para la fabricación de baterías?

El vacío interviene en varias etapas del proceso de fabricación de baterías. Estos pasos son cruciales para mantener un producto final seguro y eficiente. Sin embargo, los procesos de vacío durante la producción de baterías de ion-litio pueden presentar algunos desafíos:

Compatibilidad química – esto es particularmente importante durante las etapas de la pasta de electrodos y la desgasificación del electrolito, ya que los disolventes presentes pueden ser químicamente corrosivos. El diseño simple de los reguladores de vacío Equilibar® EVR facilita su personalización utilizando materiales de construcción adecuados para químicas agresivas. PTFE, FKM y FFKM son materiales estándar para los sellos blandos en las válvulas de vacío Equilibar, con otros materiales disponibles a pedido. La mayoría de las válvulas Equilibar utilizan cuerpos de acero inoxidable SS316/SS316L, pero el cuerpo también puede adaptarse fácilmente a otras aleaciones o incluso a polímeros si es necesario.

Altas temperaturas – durante la etapa de secado al vacío, el horno puede alcanzar temperaturas de hasta 250 °C. Las válvulas Equilibar se personalizan fácilmente para estas condiciones, con diafragmas de poliamida y opciones de juntas tóricas de Kalrez que soportan hasta 327 °C.

Amplio rango de caudal variable – durante las múltiples etapas de desgasificación, la cantidad de flujo requerido varía considerablemente. Al inicio, hay una entrada repentina de gas a través de la línea de vacío, que va disminuyendo gradualmente a medida que más burbujas salen del líquido. Las válvulas de vacío Equilibar cuentan con rangos de operación Cv extremadamente amplios, con relaciones de modulación de hasta 10.000:1 en todas las válvulas. Esto permite mantener un nivel de vacío estable en un rango muy amplio de flujos.

Control preciso – durante la etapa de desgasificación del electrolito, se requiere un vacío muy preciso, a menudo con una estabilidad de <1 mbar. Si se aplica demasiado vacío, el electrolito puede ser extraído de la celda o salpicar. Si se aplica muy poco vacío, quedarán burbujas en la solución. Los reguladores de vacío Equilibar permiten un control extremadamente preciso en un amplio rango de flujos. Cuando se combinan con un controlador de presión electrónico, como el PCD de Alicat, y un control en lazo cerrado, se logra una exactitud del orden de fracciones de un torr sin dificultad.

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