BATERÍAS DE LITIO

Ismael Simón Carrasco

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Fabricación de baterías de litio

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Índice GENERAL Definición Historia Características Comparación de tecnologías Tecnologías actuales

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BATERÍA DE POLÍMETRO DE ION-LITIO Lámina Reactiva Controladores Térmico Electrodos, recubrimiento aislante y carcasa Circuitos de protección. Carga y descarga APLICACIONES

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FABRICACIÓN Idea general. Preparación de materiales Generación atmósfera protectora Obtención de materias primas Lámina de litio Extrusión Laminación Comprobación calidad Enrollado Fabricación electrolito Fabricación lámina aluminio Pegado de láminas Devanado Soldadura de los electrodos Aislantes, Circuitos de protección y Carcasa

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NORMAS DE USO Pautas de utilización Almacenamiento

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RECICLADO Particulares Industria, Asociaciones y Gobiernos

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Bibliografía

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GENERAL En una primera instancia daremos un repaso al concepto de batería y su historia así como a sus características técnicas a tener en cuenta, y la comparación y breve descripción de los modelos de baterías más utilizados en la actualidad.

Definición_ Se le llama batería eléctrica ó acumulador eléctrico al dispositivo que almacena energía eléctrica usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse un elevado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga. El término pila denomina los generadores de electricidad no recargables, es decir, primarios, ya que la reacción química que aprovechan no es reversible. El nombre de batería proviene de qué es común que se conecten varias celdas en serie, para aumentar el voltaje suministrado. Así, la batería de un automóvil está formada internamente por 6 elementos acumuladores del tipo plomo-ácido, cada uno de los cuales suministra electricidad con una tensión de unos 2 V, por lo que el conjunto entrega los habituales 12 V. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas — en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo, adosados lateralmente, "en batería", como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero por costumbre se diferencia entre acumulador primario (pila) y secundario (baterías).

Principio de funcionamiento El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en algún tipo de proceso reversible; es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente se transformen en otros, que a su vez puedan retornar al estado primero en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante el de carga. Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes, por extraño que parezca, en las relaciones entre los elementos químicos y la electricidad durante el proceso denominado electrólisis, y en los generadores voltaicos o pilas. Los investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzos a observar y a esclarecer este fenómeno, que recibió el nombre de polarización.

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Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus límites alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito. Un ejemplo casero muy típico es el de la pila constituida con un limón y dos electrolitos de metales diferentes dándose la reacción: En el ánodo, el cinc (zinc) es oxidado: Zn → Zn2+ - 2 eEn el cátodo, se reduce el cobre: Cu+++ 2e- → Cu2

Historia_ Alessandro Volta comunica su invento de la pila a la Royal London Society, el 20 de marzo de 1800. (Imagen izquierda) Johann Wilhelm Ritter construyó su acumulador eléctrico en 1803. Como muchos otros que le siguieron, era un prototipo teórico y experimental, sin posible aplicación práctica. En 1860, Gaston Planté construyó el primer modelo de acumulador de plomo-ácido con pretensiones de ser un aparato utilizable, pero no tuvo éxito. A finales del siglo XIX, sin embargo, la electricidad se iba convirtiendo rápidamente en artículo cotidiano, y cuando Planté volvió a explicar públicamente las características de su acumulador, en 1879, tuvo una acogida mucho mejor, de modo que comenzó a ser fabricado y utilizado casi inmediatamente, iniciándose un intenso y continuado proceso de desarrollo para perfeccionarlo y soslayar sus deficiencias, proceso que dura hasta nuestros días. Este tipo de batería tiene unas propiedades de recarga muy buenas y permite altas corrientes pero se descarga muy rápido. Es la utilizada en los coches para arrancar. Thomas Alva Edison inventó, en 1900, otro tipo de acumulador con electrodos de hierro y níquel, cuyo electrolito es la potasa cáustica (KOH). Empezaron a comercializarse en 1908, y son la base de los actuales modelos alcalinos, ya sean recargables o no. También hacia 1900, en Suecia, Junger y Berg inventaron el acumulador Ni-Cd, que utiliza ánodos de cadmio en vez de hierro, siendo muy parecido al de ferroníquel en las restantes características. A partir de aquí se empezaron a diversificar tecnología dado su amplio campo de aplicación. El Boom del desarrollo de acumuladores vino de la mano de la expansión de la electrónica que acentuó gravemente la demanda de baterías cada vez más ligeras y de mayor capacidad. En la actualidad es un campo al que se dedican numerosas investigaciones al ser un negocio rentable, pero de complicado desarrollo e innovación.

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Características_ Energía específica (Wh/kg): es la cantidad de energía que la batería puede almacenar por unidad de peso. Cuanto más alta, mejor. Para el acumulador de plomo, es aproximadamente 50Wh/kg. Potencia específica (W/kg): es la potencia que la batería puede suministrar por unidad de peso. De nuevo, cuanto mayor es esta cifra, más aplicaciones posibles tiene la batería. Para un acumulador de plomo típico, es alrededor de 450 W/kg. Densidad de energía (Wh/l): es la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen. De nuevo, cuanto más alta, mejor. Para un acumulador de plomo típico, es alrededor de 90 Wh/l. Eficacia (%): es la fracción de electricidad que devuelve la batería en proporción a la cantidad de electricidad que ha sido necesaria para cargarla. Cuanto más alta, mejor, idealmente el 100%. También es importante que una batería mantenga su eficacia en función del tiempo de almacenamiento. Para un acumulador de plomo típico es del orden del 95%. Este valor es también función del valor de auto descarga. Para un acumulador típico, es del orden de 3-4% mensual. Número de ciclos de carga-descarga: es el número de veces que la batería puede ser recargada para recobrar su capacidad completa después de su uso. Es una indicación de la duración de vida de la batería. De nuevo, cuanto más alto, mejor. Para un acumulador de plomo, es del orden de 800. Tiempo de recarga normal (h): es el tiempo necesario para recargar completamente la batería. Cuanto más corto, mejor. Para un acumulador de plomo típico, es del orden de 3 horas. Tiempo de recarga rápida (50% y 99%): estos son los tiempos necesarios para recargar la batería a la mitad o al 99% de su capacidad. Esta característica es útil solamente si la recarga de la batería es lenta. Por supuesto, cuanto más corto sea este tiempo, mejor. Para un acumulador de plomo típico, es del orden de 8 minutos para media carga y 30 minutos para el 99% de carga. Coste (e/kWh): el coste de la batería por unidad de energía almacenada, esencial para aplicaciones económicas. Para un acumulador de plomo típico es del orden de 350 e/kWh. En comparación, el coste medio de electricidad en Europa es alrededor de 10 céntimos de e/kWh *Toxicidad: No es fácil de cuantificar, pero es de vital importancia debido a que muchas tecnologías utilizan productos muy contaminantes. Es por ello que las nuevas tecnologías desechan el uso de metales como el mercurio que ha causado importantes incidentes medioambientales.

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Comparación de tecnologías_

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Tecnologías actuales_ NiCd En estas baterías, el polo positivo y el polo negativo se encuentran en el mismo recipiente, el polo positivo es cubierto con hidróxido de Níquel y el polo negativo es cubierto de material sensible al Cadmio. Son ambos aislados por un separador. Las baterías NiCd van perdiendo su tiempo de vida. De cada vez que son recargadas el período entre los cargamentos se va acortando. El voltaje del NiCd tiende a caer abruptamente. NiMH Las baterías de Níquel metal híbrido (NiMH), que usan Hidrógeno en su proceso de producción de energía. Han nacido en los años 70 de las manos del químico Standford Ovshinsky. Típicamente, consigue almacenar alrededor de 30% más energía que una NiCd de idéntico tamaño. Muchas de estas baterías son hechas con metales como el Titanio, el Zirconio, el Vanadio, el Níquel y el Cromo. Este hecho aumenta su precio. En la gráfica podemos ver representado aproximadamente la relación en peso frente capacidad de las ultimas tecnologías.

Baterías de Ion-Litio (Li-Ion) Este era el último tipo de tecnología de baterías, antes de la aparición del Litio Polímero. Las baterías de Litio Ion tienen una capacidad superior y un menor peso que las de NiCd y NiMH, pero son más caras. Esta tecnología representa la mejor combinación de tamaño, capacidad y precio. Las baterías de Litio Ion no sufren el temido efecto memoria y pueden ser recargadas en cualquier momento.

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Los primeros trabajos para crear una batería de litio se desarrollaron en el año 1912 por G.N. Lewis, pero no fue hasta los años 70 cuando la primera batería de litio apareció comercialmente. El litio (LI) es el metal mas ligero que existe, ya que al tener únicamente tres protones, su peso atómico es muy bajo, permitiendo un gran potencial químico para crear baterías de gran capacidad con poco peso. Los primeros intentos de crear una batería de Litio metálico fallaron debido a problemas de seguridad por la inherente inestabilidad química del Litio, especialmente durante su carga. Los investigadores decidieron utilizar una forma química del Litio que no fuera metálico usando ciertos Iones de Litio. Aunque ligeramente inferiores en capacidad de almacenar energía, estos Iones de Litio son seguros si se tratan con unas mínimas precauciones cuando se cargan y descargan. En 1991 la compañía Sony comercializó la primera batería de Ion-Litio y después otros fabricantes le siguieron.

El funcionamiento es el representado en las figuras superiores, el metal de litio ionizado en dos cámaras separadas reacciona con un gel de composición variable según el fabricante manteniendo una diferencia de potencial gracias a la energía de ionización que se le ha aplicado anteriormente en el proceso de carga. Las baterías de Ion-Litio no requieren mantenimiento, cosa que no puede decirse de otras baterías. No tienen memoria de carga y no es necesario realizar un reciclado cada cierto número de cargas. Además, el ratio de descarga de una batería almacenada es menos de la mitad de otros tipos de batería. Pero las baterías de Ion-Litio también tienen defectos. Su estructura es frágil y requieren de un circuito de seguridad. El circuito que se integra en cada Pack de células limita el voltaje máximo que puede alcanzar cada célula durante la carga, y también limita el voltaje mínimo de cada célula durante la descarga. También la temperatura se comprueba para limitar su máximo.

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El envejecimiento de las baterías de Litio es un tema que los fabricantes suelen ocultar. Las capacidades químicas de una batería se degradan notablemente en un periodo de un año. Transcurridos tres años, las baterías apenas funcionan. Esta degradación química ocurre tanto si se utiliza la batería o no. Otros tipos de baterías sufren también de esta degradación química, y especialmente las baterías de Metal-Hidruro si se exponen a altas temperaturas. El litio reacciona fuertemente con el agua formando hidróxido de litio e hidrógeno altamente inflamable. Esta solución incolora es muy básica. 2 Li(s) + 2 H2O -> 2 LiOH (aq) + H2(g) NUNCA debe perforarse una batería de Litio, ya que se produce una reacción química que puede provocar una explosión. Litio Polímero (LiPo) Posee una mayor densidad de potencia que el resto de baterías. Son más finas o ligeras, o una combinación de ambas. Las baterías de Litio Polímero no sufren el temido efecto memoria y pueden ser recargadas en cualquier momento. A pesar del precio elevado las ventajas de las baterías de Litio las han popularizado y han hecho que se tornen equipos de serie para muchos aparatos eléctricos. La batería de polímetro de litio se diferencia del resto de las baterías por el electrolito usado. El diseño original data de los años 70 usando un polímero sólido como electrolito. Este electrolito se ensamblaba en un recipiente plástico como una bolsa que no conducía la electricidad, y que impedía el paso de electrones. El polímero sólido ofrece ventajas de fabricación, permitiendo alcanzar grosores de 2 milímetros, lo que permite crear baterías con el espesor de una tarjeta de crédito. Desafortunadamente el Polímetro Sólido sufre de baja conductividad por la alta resistencia interna, por lo que capacidad de descarga, es baja, además de aumentar su temperatura hasta cerca de 60 grados, lo que la hace inviable para ciertas aplicaciones. Para solucionar este problema algunos modelos incorporan un gel en el electrolito. ¿Cual es la diferencia entre una batería de Ion-Litio y una de Polímetro de Litio? Aunque las características y prestaciones son similares, la batería de polímero es única en cuanto un electrolito sólido reemplaza a un separador líuido (gel), el gel es únicamente añadido para mejorar la conductividad. Normalmente la capacidad de una batería LiPo es menor que una de Ion-Litio. La baterías LiPo al ser completamente en estado sólido pueden empaquetarse de cualquier forma, dando más márgenes de fabricación.

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BATERÍA DE POLÍMETRO DE ION-LITIO Tras haber comentado generalidades sobre las baterías vamos a profundizar en los detalles de los acumuladores de polímero de litio, para conocer las partes que lo componen, los distintos formatos en que se comercializa, las APLICACIONES más destacables y los peligros que conlleva su uso.

Lámina Reactiva_ Este tipo de baterías utiliza una configuración compuesta por un ánodo de litio metálico, un copolimero compuesto por polietileno, oxido de vanadio y una sal de litio (LiTFSI). Para ver porque esta configuración electroquímica aporta tan buenos resultados a las baterías vamos a concretar más su funcionamiento. Como ya hemos comentado la batería se forma de celdas, cada celda debe tener un ánodo un cátodo y un electrolito. El ánodo es una ultra delgada lámina de litio metálico que hace la función de fuente de iones de litio(descarga) o como colector(carga). El cátodo es una material compuesto con capas intercaladas de oxido de vanadio, negro de carbono, sal de litio y polímeros todo ello laminado sobre una hoja de aluminio que sirve de colector.

El aspecto que hace únicas a las baterías de litio polímero es el electrolito sólido y seco, confeccionado a partir de una membrana que sirve de separador entre las láminas de ánodo y cátodo. Es un sólido de textura gomosa, que puede estar constituido de diversos compuestos según fabricante pero la tendencia más actual es construirla mediante una matriz polimérica con sales de litio rellenando los intersticios. El comportamiento elástico del polímero permite que la superficie de contacto con los electrodos sea la adecuada. Además permite el doblado de las láminas para darles la forma deseada a las baterías.

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El fenómeno de disolución intersticial de sales alcalinas en polietilenos fue estudiado en 1966 por Moacanin y Cuddihiy con un ensayo sobre la solubilidad de LiClO4 en Polioxipropileno. La propiedad de conducción eléctrica de este material fue demostrada por Wright en 1975. Cuatro años después, Armand propuso el concepto de usar este compuesto en una fina lámina como electrolito para las baterías de litio dando origen a esta tecnología. El resultado es una celda totalmente en estado sólido sin tener ningún componente gel ni líquido que dificulta su encapsulamiento (aunque en algunos modelos se añade pequeñas cantidades de gel para estabilizarla sobretodo térmicamente), y casi la totalidad de los materiales son reactivos. Por lo tanto la reacción resultante es:

Para evitar el degradamiento de la batería se incluyen algunas capas intermedias. Como por ejemplo un film de pocas micras de espesor entre el litio y el electrolito que evita la oxidación del litio con la sal del electrolito. De no aplicar esta protección se generaría una capa autopasivante de formación dendrítica que aumentaría en cada ciclo de carga - descarga y que podría dejar aisladas eléctricamente a zonas del ánodo reduciendo la capacidad efectiva de la batería.

Controladores Térmicos_ La conductividad iónica del electrolito es el punto crítico de este tipo de acumuladores. La resistencia interna que opone esta membrana es causante de la mayoría de las condiciones de diseño. Para empezar la necesidad de laminar las capas de reactivos hasta el orden de micras, es debida a que para contrarrestar el efecto de esta baja conductividad sea necesaria una gran superficie de conducción para reducir la resistencia resultante y poder permitir una corriente de funcionamiento aceptable (la tensión no se ve afectada, pues solo depende de la afinidad química de los materiales). Además al tener un área mayor el efecto de condensador paralelo es más considerable permitiendo aumentar ligeramente la capacidad. Otro de los puntos importantes que afecta al diseño es la variación de esta conductividad con la temperatura. Como se observa en el grafico la conductividad del electrolito varia fuertemente con la temperatura. La composición de LiTFSI con aditivos comonomeros en matriz de oxido de polietileno es la que mejor resultado da a temperaturas más bajas (40ºC-60ºC).

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Según para que aplicación vaya destinada la batería puede ser beneficioso o perjudicial que su funcionamiento sea aceptable a partir de los 40ºC y mejore con la temperatura. Este punto es el que más limita su uso. Para asegurar una temperatura de funcionamiento adecuada es necesario intercalar entre las celdas de reactivos elementos generadores de calor(láminas rojas de la imagen) y termómetros que mediante un circuito de protección térmica busquen el punto de funcionamiento más recomendable. Hay que tener en cuenta que el calentamiento se consigue con energía obtenida de la propia batería, por lo que no podemos calentarla todo lo que deseamos para mejorar la conductividad. Según el ambiente en el que vaya a trabajar, el tamaño y potencia de la batería puede ser que no sea necesaria la inclusión de estas calentadores porque ya se genere suficiente calor en su funcionamiento normal. En estos casos incluso es recomendable utilizar disipadores de calor para evitar la degeneración de otros compuestos de la batería. En el caso de modernas baterías pequeñas se utilizan electrolitos más complejos, en ocasiones menos efectivos, que permiten el funcionamiento a temperatura ambiente. Como se ha comentado anteriormente se añade a veces un gel que permite rebajar la temperatura de funcionamiento pero con el inconveniente de que ya no esta toda la batería en estado sólido y hay que encapsularla de forma estanca. Las ultimas investigaciones van mejorando los electrolitos, gracias a las numerosas investigaciones en este campo, y ya han creado un electrolito no inflamable que se vuelve aislante eléctrico cuando la temperatura pasa de los 130ºC (Tonen Chemical, una filial de ExxonMobil Chemical ) y pronto entrará en mercado, principalmente para baterías de coches eléctricos (imagen derecha). El objetivo es que el usuario final no tenga que realizar ningún tipo de control sobre la temperatura.

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Electrodos, recubrimiento aislante y carcasa_ Hay diversos tipos de empaquetamientos para las baterías de litio, al estar compuesto en su totalidad por láminas sólidas permite encapsularlas de diversas geometrías. Así encontramos baterías de litio polímero tanto en formatos estándar antiguos como A, AA, … Como en formatos más compactos prismáticos, llegando en algunos casos de hasta 2 mm de espesor, para aparatos electrónicos portátiles. También las hay de grandes dimensiones, muy en boga gracias a sus aplicaciones en vehículos eléctricos Según el encapsulamiento elegido variará la disposición de elementos como las uniones de los electrodos, la disposición de los aislantes térmicos y eléctricos, y la carcasa.

Se debe de tener en cuenta que el empaquetado debe incluir en muchos casos circiutería de control (detallada en el siguiente apartado). Incluso en baterías de alto rendimiento se somete a las láminas reactivas a una presión mayor que permite un mejor funcionamiento. Para este cometido se realiza un doble encapsulamiento, por un lado las celdas a la presión deseada y todos los aislantes y circuitos por otro; todo ello en una misma carcasa. Toda batería debe proteger al litio de la humedad ambiental pues puede provocar una fuerte reacción exotérmica. A la hora de comprar una batería podemos optar por utilizar alguno de los modelos estándar que comercializan todos los fabricantes (muy similares en cuanto a formato, no en cuanto rendimiento y tecnología) o como alternativa algunos de ellos nos ofrecen equipos de diseño exclusivo para nuestra aplicación.

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Circuitos de protección. Carga y descarga_ Las baterías de polímero de litio a pesar de ser más seguras que sus predecesoras de Ion-litio pueden generar daños físicos debido a su excesivo calentamiento. Para ello incorporan circuitos de protección que regulan diversos aspectos: - Protección de corriente: la corriente admisible que puede circular (en carga o descarga) es bastante limitada para evitar sobrecalentamientos y defectos en los materiales electroquímicos, para ello suelen incorporar una resistencias con chapas para disipar el calor generado, de forma que si en carga intentamos sobrepasar la tensión parte de esta se consume en estos radiadores. Igualmente en descarga el sistema no permite sobrepasar cierta corriente. - Protección de presión: la tensión interna que sufre el litio en su proceso de carga y descarga puede producir micro-agrietamientos en torno a las dentritas del material, este fenómeno es reducido mediante un control de la presión de las celdas. -Protección ante el agua: el encapsulado debe proteger al litio del agua y la humedad pues podría reaccionar generando calor y estropeando la batería. - Subsistema de ecualización y equilibrado: a la hora de cargar y descargar la batería es necesario que el sistema de protección electrónico controle los niveles de intensidad y tensión para evitar sobrecalentamientos además de sobrecargas de capacidad que deteriorarían la batería. Por eso el sistema tiene capacidad de desconectar la conexión en estos casos según el diagrama adjunto. Además las baterias se suelen conectar en packs en serie y paralelo. Para el correcto funcionamiento deben descargarse y cargarse todas por igual. Por eso el sistema de control puede conectarlas o desconectarlas convenientemente para mantenerlas equilibradas.

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Esquema resumen de una batería de litio polímero con todos sus subsistemas:

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APLICACIONES_ Las aplicaciones de las baterías de litio polímetro son inmensas, por ello es que su desarrollo e investigación es tan rápido y cada poco tiempo de introducen mejoras. Los campos más importantes de aplicación son: -Electrónica de consumo Cada vez son más los electrónicos que llevamos encima nuestro y es una demanda generalizada la de aparatos con la mayor autonomía posible y el menor peso, las baterías de litio son la mejor solución comercial actual para este fin y por eso su implantación en aparatos electrónicos se llevo a cabo tan pronto como se pudo garantizar la seguridad de estas. (Aun así son conocidos numerosos casos de combustión de las baterías). -Maquinaria y herramientas industriales La alta capacidad de estos acumuladores también ha permitido mayor movilidad en talleres y obras al incorporarse en herramientas de trabajo permitiendo su funcionamiento sin cables.

-Vehículos eléctricos La evolución de las características de las baterías ha hecho posible su integración en vehículos de transporte como las bicicletas pudiendo relanzarlas como medio de trasporte ecológico y siendo cada vez más populares, incluso se venden kits para a partir de una bicicleta corriente montar un sistema de transmisión eléctrico.

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Pero no solo las bicicletas pueden ser eléctricas, ya se fabrican también coches deportivos completamente eléctricos gracias a este tipo de baterías. Están ya a la venta en EEUU por unos 110.000 $. El precio y las características aun no son las mismas que las de los coches de motor de explosión pero cada vez se acercan más empezando a ser competitivos en el mercado, impulsados por la nueva conciencia ecológica.

-Militar y Aeroespacial Como no en los campos de tecnología más puntera como son el militar y aeroespacial las formas de almacenamiento y transporte de energía son muy interesantes para la creación de nuevos artefactos tan grandes como aviones o como dispositivos electrónicos para aplicaciones militares. Por eso estos dos sectores empujan al desarrollo de baterías de requerimientos extremos por capacidad, por autonomía o por peso.

El Nimiq 4 está basado en la versión E3000 de los exitosos satélites de comunicaciones Eurostar. Tendrá un peso de unas 4.8 toneladas, un panel solar de 39m, y una potencia de 12 Kw. El modelo E3000 está equipado con un sistema de propulsión química y baterías de IonLitio. El satélite, operando en órbita geoestacionaria,… (17 de Enero de 2007, EADS_News_and_Events).

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FABRICACIÓN Este es la sección principal donde describiremos los procesos que son necesarios para la fabricación de estas baterías. Empezaremos viendo un esquema general, explicando los procesos de obtención de materias primas y después se expondrán detalles de las fases más importantes.

Idea general. Preparación de materiales _ El proceso general de la fabricación de las baterías de litio polímero se resume en:

• Aleación del cátodo de litio, generación de un lingote, extrusión, control, laminación, control y enrollado.

• Aleación del ánodo (aluminio, grafito,…), extrusión, laminación, control y enrollado.

• El electrolito puede ser según su tipo creado en lámina o puede ser pulverizado como una capa sobre el ánodo (proceso de “coating”). Veremos ambos casos.

• Fijación y pegado de las láminas, también existen varios métodos como pegado de láminas (coating) u horneado al vacío, … • Devanado de la lámina, generando la geometría deseada. • Montaje de las celdas con el sistema de generación térmica si es necesario. • Soldadura de los electrodos, varios métodos (soldadura por puntos, ultrasonidos) • Fabricación de la carcasa por moldeo de plástico. (Puede ser de otros materiales como metal) • Recubrimientos aislantes y de protección. • Conexión de los sistemas de protección electrónicos (no entramos en su fabricación por alejarse del tema del trabajo).

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Generación atmósfera protectora_ Para la fabricación de las baterías de litio es necesaria la preparación de los gases del entorno de trabajo. La línea de fabricación hasta el encapsulado debe estar protegida ante suciedad, humedad y gases reactivos. Para este cometido hay dos opciones principalmente: -Sala Acondicionada

Se controla la entrada y salida de aire de la habitación mediante unos sensores de condensado como los de la figura inferior, que regulan la humedad. Además sobre los procesos se expulsa aire en condiciones controladas para asegurar que la atmósfera que rodea al proceso es la adecuada.

El aire se purifica con filtros anti-polvo, y para reducir la humedad se utilizan sistemas de condensado que enfrían el aire forzando la condensación del vapor y lo expulsan más seco.

-Líneas de producción aisladas Otra opción es aislar del ambiente exterior una cámara cerrada en la que se encierra buena parte de la línea de producción de la batería. Normalmente son bastante automatizadas pero suelen incluir guantes de trabajo herméticos para manipular las piezas del interior sin contaminar el litio. El principal problema de esta disposición es que dificulta el mantenimiento y no permite variar apenas los parámetros de fabricación pues permiten poca modularidad de maquinaria. Son comunes para baterías de tamaño estándar pequeños.

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Obtención de materias primas_ -Obtención de Litio Metálico El litio fue descubierto en 1817 por Arfredson y lo individualizó con el nombre de Lithos que es una palabra griega que significa piedra, para indicar que dicho elemento proviene de un mineral. La obtención del litio metálico por electrólisis del LiCl fue realizada con éxito por primera vez, por Bunsen y Matthiesen en un pequeño crisol de porcelana, usando un fino hilo de hierro como cátodo y una varilla de carbón como ánodo. La primera producción comercial de minerales de litio se inicio en USA en 1898 con el envío de 30 toneladas proveniente de la mina ETTA de Dakota del Sur. El litio metálico se obtiene por un proceso similar a la obtención de sodio por electrólisis de NaCl fundido. El electrolito se compone de una mezcla de 55% en peso de LiCl y 45% en peso de KCl. La mezcla se mantiene a 460 − 500 °C de temperatura en el interior de una celda electrolítica de acero de bajo contenido de C. La caja de acero que contiene el electrolito fundido, está colocada a su vez en el interior de una estructura de ladrillo refractario. La caja de acero se calienta externamente con mecheros ubicados entre la caja de acero y la estructura de ladrillo refractario. Los cátodos son de acero y los ánodos barras de grafito. La eficiencia eléctrica es del 80% y la recuperación de litio es de 98% en peso, calculados en base al litio contenido en el LiCl. Reacciones: En el ánodo: 2Cl− Cl2 + 2e− (Por kilo de Li se generan 5k de Cl2 gas). En el cátodo: Li− + e Li0 Empleando LiCl y KCl en alto grado de pureza se obtiene Li metálico de 99,8% aprox. - Obtención de hidrocarburos para electrolito y carcasa Los electrolitos más comunes están formados por compuestos poliméricos (plásticos) al igual que la carcasa exterior. La mayoría de los plásticos se elaboran hoy con derivados del petróleo. Las materias primas derivadas del petróleo son tan baratas como abundantes. No obstante, dado que las existencias mundiales de petróleo tienen un límite, se están investigando otras fuentes de materias primas, como la gasificación del carbón. - Obtención de Aluminio

El aluminio primario se obtiene en dos etapas: -En la primera se produce la alúmina o el hidrato de alúmina se precipita del filtrado por adición de gas carbónico y, después de filtrar y lavar, el hidrato se calcina para convertirlo en alúmina. -En la segunda se obtiene el aluminio metálico por reducción electrolítica de la alúmina pura en un baño de criolita fundida. -Aleaciones -Hornos reactivos Es un proceso muy conocido, y algo tedioso, por lo que no entramos en detalles.

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Lámina de litio_

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Partimos de un lingote de litio puro (99%) de alrededor de unos 5 Kg de peso. Antes de comenzar ningún proceso mecánico vamos a fijarnos en las propiedades de este material:

Como vemos es muy ligero, tiene unos puntos de fusión y ebullición muy bajos, y unas propiedades mecánicas bastante elásticas por lo que permitirá una mecanización fácil. Necesitamos conseguir una lámina de unos pocos micrómetros de grosor para ello primero realizaremos un proceso de extrusión seguido de una laminación para reducir más el grosor.

Línea de producción de láminas de litio para baterías. (Coatema)

Extrusión Inicialmente necesitaremos realizar un proceso de extrusión. Debido a las propiedades blandas del litio con una sola extrusión podremos conseguir espesores de tan sólo 0.25 mm. Las dimensiones de la lámina resultante varían entre los 20 cm. y 1 m de ancho y entre 0.2mm y 0.4mm de grosor. Por lo tanto con un lingote de 5 Kg resulta para un grosor de 0.2mm y 20 cm. de ancho: L = (5000g / 534000gm-3)/ (.0002mx .2m)= 234m ¡Resulta una lámina de 234m de longitud!

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La extrusión es en frío pero teniendo en cuenta el bajísimo punto de fusión del litio una temperatura ambiente elevada (30-40ºC) sumado al aumento de la temperatura por las propias tensiones del material hacen que el lingote sea bastante blando y pueda utilizarse maquinaría más habitual en laminado en caliente, pero sin calentadores. Aunque la extrusión sea en frío las propiedades mecánicas del litio no se ven muy afectadas respecto a la laminación en caliente, pues esta no supondría mucha diferencia de temperatura. El hecho de que sea tan blando permite que el perfil extruido guarde una relación de área muy grande con respecto al lingote, ya que el área puede rondar los 350 cm2 y el perfil tan sólo sea unos 5 cm2. Una relación impensable en otro tipo de materiales. A pesar de ser blando, como queremos conseguir una reducción importante de área a velocidades medias y tiradas largas, es necesario utilizar prensas con potencias medias. Así es habitual utilizar extrusores horizontales que permiten grandes potencias de empuje y permiten hacer de una tirada laminas de más de 200m como en el ejemplo anterior. El material de construcción de las boquillas necesita ser muy resistente pero no tanto, ni mucho menos, como los de extrusión de cobres, aluminios, aceros,… con formar las boquillas a partir de acero herramienta aleado y con el tratamiento térmico adecuado es suficiente. Hay diversas boquillas patentadas para el extrusor, una de ellas es la representada en estos diagramas, que poseen ciertas piezas en ángulo que forman reflujos para direccionar los granos de cristal de litio lo más longitudinalmente posible para obtener las mejores propiedades mecánicas ya que sino durante extrema laminación que se le aplicará a continuación puede romperse. Los perfiles de salida se pueden cambiar fácilmente para variar el grosor o el ancho de la lámina. No es habitual el uso de lubricantes. Es lógico por varios motivos ya que es un metal muy blando, de buena fluidez y que además es muy utilizado para producir grasa para lubricar maquinaria por lo que hace evidente la poca necesidad de utilizar lubricante. Hay varios fabricantes de maquinaria de extrusión ya diseñada para esta aplicación aunque no son muy numerosos y por otra parte puede utilizarse maquinaría diseñada para otros usos realizando algunas adaptaciones en las boquillas de salida y otros elementos funcionales básicos.

Fabricación de baterías de litio Ismael Simón Carrasco 04379 Pág.23 En las siguientes imágenes podemos ver un extrusor de litio usado en el que se pueden observar aparte de su importante tamaño, las dimensiones del lingote de litio inicial 11,5 cm. de diámetro por casi un metro de largo, y las velocidades de funcionamiento entre 5 cm. /minuto y 40 cm. /min. La potencia de empuje es de unos 22 KW que supone el principal gasto energético de la máquina.

En esta imagen podemos observar el extrusor del video adjunto, más moderno y de menores dimensiones que el anterior El funcionamiento es idéntico y por el tamaño similar de los lingotes podemos presuponer una potencia similar.

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Laminación El grosor mínimo que nos permite la extrusión es como mínimo del orden de 0.2 mm pero si realizásemos una batería de litio con una lamina tan gruesa, a pesar de que la tensión eléctrica seria la misma e incluso la capacidad similar (para mismo peso), la resistencia interna y la corriente máxima que permitiría no serian admisibles para la mayoría de los usos. Por ello es necesario reducir aún más el espesor mediante un proceso de laminado. La información de esta etapa no es publicada por la mayoría de los fabricantes pues se nutre de tecnología más avanzada, sobretodo de control que se reservan. Por los mismos motivos por los que la extrusión se realizaba en frío el laminado también lo será así. Como deseamos una reducción de hasta unos 20 μm lo más razonable es utilizar varias etapas de laminado o laminado en tándem. De esta forma vamos reduciendo progresivamente el grosor de la lámina. Este proceso es complicado y hay que tener en cuenta diversos factores. La presión que ejercen cada tren de rodillos debe ser calculada meticulosamente no son válidos cálculos aproximados ya que es muy importante ajustar las velocidades de la lámina para que se ajuste al siguiente tren.

La deformación que produce en la lámina la reducción del grosor, produce un alargamiento y ensanchamiento que hay que controlar para que no se descentre de los rodillos y para que no haya desequilibrios en las velocidades de los rodillos. Además al tratar de láminas tan delgadas y de un material blando hay que manejarlas con delicadeza porque pueden aparecer grietas y fisuras que dividan la lámina muy fácilmente, por lo que no pueden aparecer tensiones internas considerables. Con igual cuidado deben por tanto ser calculados los rodillos y su desgaste para que el funcionamiento sea suave. Estos equipos utilizan rodillos de eje móvil entre trenes para ajustar la tensión y pequeños cambios en la velocidad (de forma similar a las guías de la cadena de las marchas de una bicicleta) para que la hoja de litio no pierda tensión y se arrugue. Esto hace que esta laminación sea un proceso caro y controlado con ordenador y sensores de alta precisión.

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Comprobación calidad Dada la precisión a la de que se ha de trabajar en estás láminas es necesario que se realicen controles de calidad continuos simultáneamente a la salida de los procesos tanto de laminado como de extrusión. Se sitúan unos medidores de espesor, velocidad, etc.… implementados de diversas maneras como puede ser mediante básculas de precisión combinadas con encoders de giro con los cuales a partir del peso, velocidad y densidad del material podemos conocer el espesor de la lámina. Además se pueden realizar controles de impurezas o de defectos mecánicos que se hayan podido producir en la lámina. Estos sistemas se encuentran totalmente computerizados de forma que según los resultados de estas medidas controlamos la fuerza y los parámetros de funcionamiento tanto del extrusor como de los trenes de laminado, todo en tiempo real.

En las imágenes vemos como funcionan estos sistemas de control que realizan sus medidas mientras sacan las láminas de litio de la maquinaria de conformación. Corresponden a las dos extrusoras vistas en el apartado anterior.

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Enrollado El proceso final antes de su ensamblado, de la lámina de litio es su enrollado. Un motor sincronizado con la maquinaria de mecanizado así como con los elementos de control va recogiendo la lámina, enrollándola en unos carretes para su almacenamiento. Puede almacenarse en aceites o en gases como el Argón. Varias empresas producen este tipo de carretes de litio que muchos fabricantes compran para la fabricación de baterías. Los venden en distintos grosores, anchos y longitudes, con características mejoradas para su uso en baterías y diversas características a elegir. Un ejemplo:

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Fabricación electrolito_ La generación de esta lámina tiene un alto grado de complejidad debido a lo avanzado de sus componentes, y dependiendo de la tecnología utilizada variarán los procesos técnicos, principalmente químicos; pero desde un punto de vista de mecanizado no conlleva más que una extrusión. Después se pasan los controles de calidad y se enrolla de forma similar al litio. Como se comento anteriormente existen varios tipos de separadores electrolíticos. Los más modernos son secos y sólidos, existiendo de diversos materiales. Vamos a concretar para uno de ellos, basado en una matriz de sílice y polímero (plástico). El primer paso en la fabricación de un plástico es la polimerización. Los dos métodos básicos de polimerización son las reacciones de condensación y las de adición. Estos métodos pueden llevarse a cabo de varias maneras. En la polimerización en masa se polimeriza sólo el monómero, por lo general en una fase gaseosa o líquida, si bien se realizan también algunas polimerizaciones en estado sólido. Mediante la polimerización en disolución se forma una emulsión que se coagula seguidamente. En la polimerización por interfase los monómeros se disuelven en dos líquidos inmiscibles y la polimerización tiene lugar en la interfase entre los dos líquidos. Con frecuencia se utilizan aditivos químicos para conseguir una propiedad determinada. Por ejemplo, los antioxidantes protegen el polímero de degradaciones químicas causadas por el oxígeno o el ozono. De una forma parecida, los estabilizadores lo protegen de la intemperie. Los plastificantes producen un polímero más flexible, los lubricantes reducen la fricción y los pigmentos colorean los plásticos. Algunas sustancias ignífugas y antiestáticas se utilizan también como aditivos. Los separadores de baterías de PE están hechos de sílice, UHMWPE (polietileno de peso molecular ultra-alto), aceite de procesamiento, negro de carbón y elementos químicos antioxidantes. El ingrediente con mayor presencia (en tanto por ciento del peso) es, de lejos, la sílice (su denominación debería ser quizás "separadores de sílice"). La sílice es un componente esencial del separador de baterías de PE. Forma el esqueleto (matriz) que permite al separador volverse hidrófilo, para absorber las sales de litio y realizar la transferencia electroquímica de iones entre las placas. La calidad y el tipo de sílice son muy importantes. Algunos fabricantes utilizan un agente humectante para incrementar la humectabilidad de sus separadores pero puede evolucionar en ácido acético y perjudicar el proceso. En la imagen se observa la gran porosidad intersticial que permite al PE alojar gran cantidad de sal para permitir la electrolisis.

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El UHMWPE concede a la lámina unas propiedades peculiares: • no puede procesarse directamente por fusión dado su estructura de finas láminas. Debe plastificarse con aceites de procesamiento de hidrocarbón y a partir del proceso de gelatinización. • Es capaz de aglutinar grandes cantidades de relleno. • Produce capas autónomas y aisladas. El UHMWPE es muy resistente a la abrasión. Con mucha frecuencia se utiliza como polímero favorito en la sustitución de caderas y cirugía ósea más avanzada. Otra aplicación muy célebre del UHMWPE es la fabricación de chalecos antibalas. Debe resistir las fisuras y las rasgaduras producidas por la oxidación electromecánica de la alta temperatura. El aceite de procesamiento hace posible el proceso de gelatinización de UHMWPE. En la extracción del aceite de procesamiento del relleno de sílice, el separador de la batería UHMWPE crea una capa porosa que tiene entre 26 y 27 nanómetros de de diámetro de media. El aceite que se queda en el separador hace las veces de protector inicial para el UHMWPE para combatir la oxidación electromecánica de alta temperatura. Forma y acabado. Las técnicas empleadas para conseguir la forma final y el acabado de los plásticos dependen de tres factores: tiempo, temperatura y deformación. La naturaleza de muchos de estos procesos es cíclica, pero en este caso puede clasificarse como semicontínuos al obtener láminas de gran longitud. Las peculiares características de esta lámina requieren atenciones especiales a la hora de su extrusionado existiendo maquinaria especializada para este proceso. En la imagen se muestra el perfil de extrusión de una de estas láminas con sus acotaciones. Corresponde al electrolito RhinoRide 150 (zona no nervada tiene 150nm de grosor)

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Fabricación lámina aluminio_

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Es la última lámina de las tres principales que forman la batería. Realmente la lámina de aluminio no reacciona pero se necesita para adherirla a capas de oxido de vanadio, negro de carbono y sal de litio para que sirva de colector. Esta lámina será prácticamente idéntica a la que se usa para la elaboración del papel de aluminio de cocina. Para la fabricación de esta hoja partimos de que hemos extraído ya, como se comento en un apartado anterior, aluminio con un grado de pureza alto y lo tenemos en un lingote de grandes dimensiones, aproximadamente 4.4x1,4x0.45 m y 7.5 ton de peso. Antes de empezar a laminarlo es necesario que la superficie sea totalmente lisa. Para ello se le realiza un fresado para acabado superficial, con una fresa de grandes dimensiones, y por tanto de alta potencia dado que tiene que recortar una capa de poco grosor pero de mucha área. Se utiliza líquido de mecanizado para enfriar las piezas y reducir el coeficiente de rozamiento. Todos los procesos son ayudados de grúas y trenes de rodillos del tamaño necesario para desplazar a estos grandes lingotes. Ahora empieza el proceso de laminado para reducir el grosor del lingote. Para ello se realizan dos tipos de laminados. El primer laminado más grueso se realiza en caliente a una temperatura de unos 500ºC mediante rodillos de grandes dimensiones y con un gran tren de rodillos de empuje que permiten la suficiente fuerza para ir aplastando el lingote. Se realizan numerosas pasadas hacia uno y otro lado hasta 16 veces reduciendo progresivamente el grosor. Para evitar calentamientos excesivos y que el rodillo se pegue al lingote se rocía durante todo el proceso líquido de mecanizado. Repetimos laminados en caliente hasta conseguir una lámina de unos 5 mm. Alcanzado este grosor se enrolla y pasamos a la laminación en frío. Esta laminación en frío es muy similar a la del litio, pasando por numerosos rodillos vamos reduciendo la lámina hasta alcanzar los 4 μm de grosor suficiente para adherir a nuestro cátodo. Durante la laminación en frío para evitar la rotura de la lámina cuando el espesor empieza a ser muy fino, se introducen dos capas a la vez en el laminador por este motivo queda el lado de los rodillos más brillante que el lado que queda en la cara interna, en contacto con la otra lamina de aluminio. Los bordes de la lámina se recortan debido a que suelen estar deteriorados y pueden producir fisuras que desgarren la lámina transversalmente.

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Vamos ha hacer un pequeño estudio sobre la primera laminación del aluminio, para ilustrar de forma simplificada los cálculos necesarios para estimar la longitud del tren de rodillos, el espesor que se puede reducir por pasada, la potencia necesaria, … Dado que queremos obtener la máxima reducción posible por pasada utilizaremos algún método de empuje. De los representados optaremos por aprovechar la energía cinética ya que tenemos un bloque muy pesado y con un empujador no podríamos hacer pasadas en ambas direcciones. Sin entrar en el planteamiento de las ecuaciones (que no tienen mucha dificultad por suponer muchas simplificaciones) podemos resumir: Para el lingote aluminio aprox. σ = 200 Mpa L = 1m e = 0.4m M = 7500 Kg. Los rodillos laminadores: R=0.5 m μ=0.1 Los rodillos de empuje: r=0.2m δ=0.1·r -Espesor maximo reducido:

∆e = 2 R (1 − cos( 2ϕ) = 2 ⋅ 0.5(1 − 0.98 ) = 0.02 m -Par de laminador Φ= 2ϕµR 2 Lσ =30 MNm -Apriete entre rodillos P = 2 µLR σ = 20 Mn -Fuerza de empuje necesaria F = 2 RL σ(1 / cos ϕ −1) = 1,1 MN -Longitud de la mesa necesaria λ ≥ (2ϕ − sen 2ϕ) R 2 Lσ / mg µ = 7.8m -Velocidad de laminado v = 2( 2ϕ − sen 2ϕ) R 2 Lσ / m = 3.8m / s -Potencia de la mesa Pr = vmg (δ + rµ) / r = 167 KW -Potencia de los rodillos Pl = 2ωϕ = 9MW

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Pegado de láminas_

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Tras obtener todas las láminas necesarias es necesario unirlas de forma adecuada para que pueda darse la reacción química deseada. Además como comentamos, hay varias tecnologías que incorporan sustancias que rodean el electrolito para mejorar la duración de la batería. Por lo tanto necesitaremos crear una lámina formada por múltiples capas de diversos tipos de materiales. Según los materiales utilizados para el electrolito y capas intermedias, se irán agregando capas en dos fases: los componentes químicos que se puedan aplicar por spray irán formando capas sobre las láminas de metal y plástico (Coating) hasta que las láminas resultantes tengan que ser unidas por horneado o por adhesión de las propias capas pulverizadas.

Proceso de “Coating, Drying and Calender” (se puede traducir como lacado, secado y compactado o similar). Este proceso consiste en agregar sobre una lámina sólida un film de otro material mediante una pulverización. Para el caso de las baterías, en especial las de litio polímero, al necesitar hojas multicapa de diversos materiales este proceso es de vital importancia y dificultad para conseguir afinidad entre los materiales, por lo que se ha desarrollado modificaciones en la maquinaria habitual para satisfacer las necesidades especificas. El material pulverizado puede ser de muy diversa índole desde líquidos y geles hasta metales pulverizados con algún tipo de conglomerante. El lacado (por traducirlo de alguna forma) puede realizarse en vertical o en horizontal, así como en una cara o en dos caras. Para la fabricación de baterías se suele escoger maquinaria en vertical y a doble cara para mejorar la producción, porque ocupa menos espacio en vertical y porque en horizontal hace falta tensores de la lámina que encarecen la maquinaria. Vamos a ver como funciona este tipo de maquinaria. Primero adheriremos el material (coating). Podemos aplicar la nueva capa de dos formas, pulverización en ranura (Slot Die System) y por rodillos impregnados (Closed Soller). Utilizaremos uno u otro dependiendo la densidad y fluidez del material a adherir. El primero lo utilizamos para capas más finas y fluidas, normalmente en caliente pero para nuestro caso también da buenos resultados en frío. Los rodillos (imagen inferior) los utilizaremos cuando queramos controlar mejor el peso de la lámina y pueda haber variaciones en la viscosidad del material.

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Es común utilizar ambos procesos sobre una misma lámina, pero tras cada uno de ellos hay que curar y secar la capa añadida. El curado y secado requiere de dos chorros de aire caliente (uno por cada lado, recordar que estamos aplicando material a ambos lados simultáneamente).También hay que tener en cuenta en los cálculos que al estar en vertical puede resbalar el lacado por la superficie. El aire debe estar a unos 235ºC y el suficiente tiempo para que se seque antes de que llegue a entrar en contacto con los rodillos para que no los manche o se quede pegado.

Otro punto importante a tener en cuenta es la ventilación. Al se un proceso rápido con disolventes, grandes cantidades de gases se van acumulando y pueden condensarse estropeando la lámina y la maquinaria. Por eso se incluye un sistema de ventilación de bastante potencia. Estos procesos pueden ir seguidos de una compresión (calender) bien por paneles, bien por rodillos (más común) para reducir el grosor de la lámina aumentando la densidad de la misma debido a las propiedades de las capas aplicadas (es lo que lo diferenciaría de un laminado normal).

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Cuando las capas no se pueden aplicar como en el método anterior se procede a su unión mediante un horneado en cámara de vacío. Las láminas a unir se juntan y se devanan como sea requerido (se comenta en el punto siguiente) pero aun no tienen la consistencia deseada. Para conseguirla, por ejemplo, se introducen en un horno a 80ºC en el que se ha reducido la presión durante 90 min. Este tipo de proceso se intenta reducir lo posible intentándolo sustituir por uno Calendering con calentamiento que es de continuo por lo que se consigue productividad mucho más elevada.

más tipo tipo una

Aún así para algunos electrolitos especiales no se puede realizar de otra forma, ya que no requieren de más capas intermedias y la única forma de conseguir la adhesión necesaria es así. Estos electrolitos por tanto, aunque tengan muy buenas propiedades, sólo se utilizan en series pequeñas y medias ya que este proceso forma un cuello de botella en la cadena de producción que aumenta el precio.

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Devanado_ Una vez lista la lamina de reactivos completa ha que amoldarla para darla la geometría deseada según la forma de la batería. Según los diversos encapsulados posibles utilizaremos una máquina que doble como deseamos la lámina. Estas máquinas son sencillas, solo deben ir recogiendo la lamina procedente del sistema de “coating” e irla enrollando o devanando de la forma requerida. Cuando acabe deberá cortar la lámina. Para cortarlo basta con una cuchilla sencilla ya que no posee elementos de gran dureza. En las imágenes vemos una maquina de devanar para baterías cilíndricas (izq) y otra para baterías prismáticas (drch).

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Soldadura de los electrodos_ Vamos a ver dos métodos de soldadura: Por puntos se suele utilizar para encapsulados cilíndricos. Se utiliza una soldadura por puntos TIG mediante un soldador de control numérico como el de la imagen. Este sistema tiene la ventaja de contar con suministro continuo de material permitiendo una alta productividad. El principal inconveniente de este tipo de soldadura son los fallos que se pueden ocasionar por la elevada temperatura que se alcanza. Aunque se regule para que la temperatura sea lo más baja posible el litio y el polímero del electrolito tiene puntos de fusión muy bajos cercanos a 180ºC, por lo que son fundidos durante la soldadura. Si la soldadura es suficientemente rápida el impacto térmico es lo suficientemente pequeño para que la fusión de la lámina reactiva sea de poca penetración y no provoque fallos en su funcionamiento.

El método más moderno y de mayor implantación en las industrias grandes es la soldadura por ultrasonidos. Este tipo de soldadura dirige energia ultrasónica de alta frecuencia por la punta del soldador hacia las superficies que se desean soldar. La energia deshace los oxidos y la suciedad superficial entre láminas permitiendo crear una unión metalurgica real sin necesidad de material de aporte. Además permite soldar múltiples capas simultáneamente lo que es muy util para unir los electrodos en las baterias prismaticas. La unión resultante suele ser mas dura que los materiales antes de ser soldados. Otra ventaja importante es que permite soldar metales muy distintos. Las herramientas de soldadura no tienen desgaste, de modo que es recomendado para grandes series.

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Los equipos de soldadura por ultrasonidos están constituidos principalmente por el generador, el convertidor piezoeléctrico y el sonotrodo. El generador convierte la corriente normal a 50-60 Hz para producir oscilaciones eléctricas de alta frecuencia, de 15 a 40 kHz. El convertidor piezoeléctrico cerámico convierte las oscilaciones eléctricas en oscilaciones mecánicas ultrasónicas. Y el sonotrodo transmite, por medio de un potenciador, las oscilaciones a las partes a soldar, que están fijadas entre éste y un yunque, produciéndose de este modo una fricción cuya energía se disipa en forma de calor y eleva la temperatura en el interfaz a la requerida para la soldadura entre 0,02 y 2 s. La potencia máxima de los grandes equipos de ultrasonidos a 20 kHz es de 3 kW y la máquina más silenciosa a 40 kHz produce 1,5 kW. Sólo unos pocos materiales para el sonotrodo resisten las tensiones vibratorias durante períodos largos, precisamente el litio y también aluminio lo resisten bien: ambos materiales combinan una buena rigidez con una baja densidad. Los sonotrodos se fabrican de muchas formas y cada uno debe optimizarse cuidadosamente para asegurarse que su resonancia se produce de modo puramente axial y que la vibración es constante a través del área del sonotrodo en contacto con el plástico. Es esencial que se eviten resonancias no axiales porque pueden interferir con el proceso de soldadura. En las imágenes vemos equipos completos de soldadura por ultrasonidos de una sola punta semiautomática (izq) y de varias puntas con control numérico y comunicación por ordenador.

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Aislantes, Circuitos de protección y Carcasa_ Para finalizar el proceso ya solamente queda empaquetar la batería. Hay que recordar que es necesario establecer unas medidas de seguridad sobretodo térmicas y de presión, que deberá cumplir el recipiente. Hay varias formas de encapsulado. Diferenciaremos dos: cilíndrico y prismático. Como hemos visto la cilíndrica el devanado se hace en espiral y se puede soldar por puntos TIG. Para el cierre realizaremos un remache del electrodo positivo (el que tiene un saliente). Debido a esto es por lo que la forma de este extremo del encapsulamiento recuerda a un remache. Es complicado de abrir si no se fuerza. Las paredes del recipiente pueden ir recubiertas de aislante pero en estos sistemas no se incluyen circuitos de protección ni calentadores, que de ser necesarios serán externos.

Las prismáticas suelen consistir en una carcasa de plástico moldeado, con pestañas para que el cierre no sea fácil de abrir, para evitar accidentes. Si el tamaño es grande suele incluir todos los sistemas de protección.

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Normas de uso Vamos a comentar las medidas de manipulación que debe llevar a cabo el usario final de la batería. En baterías comerciales casi todas las normas que vamos a comentar las realiza automáticamente el sistema de control incluido en la batería, en el cargador, o en el propio dispositivo que las utilice. Pero en baterías , digamos, más profesionales, hay que realizar su cuidado por parte del usuario.

Pautas de utilización_ Siguiendo estas normas y recomendaciones básicas tendrán una vida larga: • Cerciórese de utilizar un cargador capaz de cargar baterías de Polímero de Litio. No utilice otro tipo de cargador. • Cargar en un contenedor o zona ignifuga. • Asegúrese perfectamente de programar correctamente el cargador para el pack que se va a cargar tanto en voltaje como en intensidad. • No cargue sus baterías de Polímero de Litio por con intensidad mayor a 1C**. • Hacerlo reducirá la capacidad y vida de sus baterías con muy poco ahorro en tiempo de carga. Se recomienda una carga de entre 0,2C y 0,7C. • Inspeccionelas, si esta deformada no lo utilice y deshágase de él. • No descargue los elementos por debajo de 3V durante la descarga, (6V para un pack de 2S, 9V para uno de 3S, etc.) una sola vez que se supere este limite causara daños irreparables. • La vida de su batería será mucho más larga si en cada descarga/utilización no se llega a descargar completamente el pack. • No utilizar por encima de su descarga máxima (Indicada en el pack) • No golpee, pinche doble o deforme el pack de ningún modo. • No seguir utilizando ningún elemento/pack que halla incrementado su volumen • Las baterías de Lipo no deben exceder 70ºC/150ºF. durante su uso. • No montar elementos de capacidad desconocida o diferente en serie y/o paralelo. • Mantenga sus baterías donde niños o animales no puedan acceder. • Se debe tener siempre mucho cuidado de no producir cortocircuitos. • Si eso ocurre la corriente que pasa a través de los terminales, dañando la batería y la sobrecalentara siendo probable que funda algunos plásticos. • Cuando no vaya a utilizar las baterías de Polímero de Litio guárdelas a media carga (3,7/3,9V), nunca vacías o completamente cargadas.

Almacenamiento_ Las baterías de Polímero de Litio tienen un periodo de almacenamiento sin uso de 5 años garantizado por el fabricante en condiciones de almacenaje óptimas. Cuando no vaya a utilizarlas guárdelas a media carga, entre 3.7/3.8V, nunca vacías o completamente cargadas. Almacénelas en una zona seca y fresca. La temperatura baja conserva las baterías (10-15ºC) y es muy recomendable para periodos de almacenamiento superiores a 3 meses. Nunca se deben almacenar por debajo de 0ºC esto las destruiría completamente. Después de un periodo largo de almacenamiento, compruebe el equilibrio entre los elementos de un pack y si es necesario equilíbrelo antes de la primera carga y realice unos ciclos como se ha descrito para baterías nuevas (pág. 14) si esta se va utilizar en alta descarga. **C tiene el valor 1/h, es decir: Si su batería es de 1050mAh por ejemplo entonces 1C es igual a 1050mAh x 1/h =1050mA Entonces por ejemplo una descarga a 7C es simplemente 7 x Capacidad x C Para un pack de 1050mAh será entonces: 7 x 1050 mAh x 1/h = 7350 mA = 7.35A Una carga a 2C para esa batería de 1050mAh seria: 2 x 1050mAh x 1/h = 2100mA = 2,1A

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Reciclado Tras su definición, fabricación y uso vamos a ver que pasa cuando tras muchos ciclos de carga y descarga (≈1000) la batería ya no da más de sí.

Particulares_ Si en nuestra ciudad no existe un sistema de recogida de este tipo de baterías, aun siendo las baterías mas ecológicas al no contener metales pesados, debemos seguir unas pautas para reducir su impacto medioambiental. Deben ser descargadas completamente antes de deshacerse de ellas. Descargue la batería haciéndola funcionar hasta 2.5V: seria 5V para un pack de 2 elemento en serie, 7.5V para un de 3 etc. Busque un recipiente suficientemente grande como para sumergir la batería, llénelo con agua y sature con sal normal, colóque la batería dentro de la solución de sal y déjelo en ella durante unas 24 horas. Saque la batería de la solución y compruebe que el voltaje es 0 voltios. Tire la batería siempre que sea posible a un contenedor de baterías.

Industria, Asociaciones y Gobiernos_ Los grandes consumidores de baterías y el sistema de recogida de residuos público encargan a empresas especializadas en reciclaje de baterías su reaprovechamiento. Las baterías usadas son transportadas a una planta de reciclaje en las que son sometidas a los procesos que se describen a continuación:

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Recepción Las baterías y las pilas de todo tipo son traidas en camiones que son descargados en la entrada de la planta en la zona de recepción donde van siendo almacenadas hasta su reciclado. El suelo debe estar aislado de los posibles derrames de productos contaminantes, pues podría filtrarse a aguas subterráneas. Preselección Inicial Aunque la recogida se haga en función del tipo de pila hay que volver a separar los productos según sus componentes pues siempre hay algunas mezcladas. Separación de materiales Los elementos son aplastados en cadenas diferentes según su composición para separar sus materiales, escurriendo los líquidos y separando los sólidos. Las líquidos recuperados se destilan y se tratan de diferentes formas para separarlos. Similarmente los sólidos se muelen para poderlos diferenciar según dureza y plásticidad y igualmente se pasan por varios procesos de clasificación como puede ser un campo magnético para ayudar a clasificar los ferromágnéticos y diamagnéticos. Inertización Química Una vez separados los compuestos se les trata correspondientemente para generar nuevos compuestos más inertes químicamente y por tanto menos contaminantes. Algunos se pasan por un proceso de incineración para descomponerlos químicamente. Otros por diluyentes, otros se destilan, etc. Los residuos peligrosos como las cenizas de incineración, barros del tratamiento de metales, etc. son vitrificadas mediante la fusión de Sílice, Carbonato de Sodio, Oxido de Calcio y fundentes, combinados con óxidos metálicos de B, Li, Pb, Mg, Ba, etc. El material fundido de color oscuro brillante (lodo de la imagen izq) es enfriado rápidamente o lentamente según el uso que se le vaya a dar. Los metales recuperados se funden y se vuelven a producir lingotes para su reutilización (imagen derecha) Se intenta que los productos de esta inertización sean aprovechables para otros usos como rellenos en construcción (es para lo que se usa el lodo) o reutilización en nuevas baterias. Tratamiento de Gases A lo largo de estos procesos descritos se generan numerosos gases contaminantes, que deben ser filtrados y en un lavador de gases (imagen izq) donde mediante agua se diluyen los gases más contaminantes para volver a ser tratados.

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En esta imágenes observamos los diagramas de flujo de funcionamiento de la planta de reciclaje de IMD en Argentina:

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Bibliografía Videos Discovery Channel Kalpakjian-Manufactura Ingenieria Y Tecnología Apuntes de teoría de máquinas y mecanismos. ETSII Apuntes de Tecnología de materiales. ETSII Patente “Extrusion a solid polymer electrolyte on positive electrode of lithium battery” Patente “Extrusion of lithium-aluminium alloys” Patente “Rechargeable lithium-ion battery” Patente “Method and apparatus for measuring a thickness of a thin film in motion” Patente “Battery structure” Patente “Process and apparatus for manufacturing lithium foil” http://www.eurotecusa.com/index.html http://www.goodfellow.com http://www.battcon.com/PapersFinal2004/ValleePaper2004.pdf http://www.vaisala.com http://www.Kokam.com http://www.hyperbattery.com http://www.teslamotors.com/ http://www.neoteo.com/electra-un-avion-tripulado-con-motor-electrico.neo http://www.cnirobotics.co.kr/index.asp http://www.mecasonic.com/ESP/produits.html http://www.technologyreview.com/Energy/ http://www.entek-international.com/ http://cr4.globalspec.com/comment/208200 http://www.sogarisa.es/plantrecic.htm

Y otras páginas Web.