Análisis de la tecnología de fabricación de electrodos para baterías de iones de litio

En el futuro, la demanda y la capacidad instalada real de baterías de iones de litio aumentarán rápidamente hasta alcanzar el orden de TWh. La tecnología actual de fabricación de baterías sigue basándose en el método de ensayo y error, en cierta tecnología patentada y en la experiencia personal, etc., y la fabricación de electrodos rendimiento es más evidente en el proceso de fabricación de baterías.

Promover avances tecnológicos en la fabricación de electrodos para baterías de iones de litio puede mejorar rendimiento de la bateríaEl objetivo es mejorar la calidad, la seguridad y la sostenibilidad de los procesos para apoyar el desarrollo de baterías de iones de litio de mayor calidad y a mayor escala. Para superar los cuellos de botella a los que se enfrenta actualmente la fabricación de electrodos es necesario centrarse en los materiales, las técnicas de fabricación, la metrología de procesos en línea y el análisis de datos.

Análisis del proceso de fabricación de electrodos y tendencia de desarrollo

Los electrodos de las baterías de iones de litio que se comercializan actualmente se fabrican mediante procesos húmedos. Se fabrican preparando sustancias electroquímicamente activas, aglutinantes, agentes conductores y disolventes volátiles en una pasta y recubriéndolos sobre colectores de corriente de lámina metálica, tras lo cual se secan y se laminan. Este proceso de fabricación de electrodos tiene ventajas en términos de eficiencia de producción, consistencia y escalabilidad, y se ha convertido en la tecnología principal de fabricación de electrodos de baterías, lo que ha llevado a una reducción significativa del coste de fabricación de las baterías de iones de litio hasta cierto punto.

En estas condiciones tan ventajosas, es fácil ignorar las barreras técnicas de la tecnología de fabricación de electrodos húmedos, como la incapacidad de satisfacer las necesidades de las baterías de alta energía en cuanto a electrodos gruesos, el aumento de la porosidad y la proporción de materiales activos en la fórmula, etc. La innovación de la actual tecnología de fabricación de electrodos se basa principalmente en el electrodo húmedo, lo que finalmente se refleja en el compromiso entre las diversas prestaciones de la batería, y viceversa.

Además, en los pasos clave de la preparación de la lechada del electrodo, el recubrimiento, el secado y el calandrado, la influencia en la evolución de la microestructura del electrodo también es diferente. Más recientemente, el desarrollo y la optimización de los electrodos de las baterías de iones de litio no han contado con relativamente pocas capacidades de diseño y predicción por adelantado ni con metrología en línea, y se han basado en gran medida en el método de ensayo y error.

Recientemente, están surgiendo algunas tecnologías nuevas para la fabricación de electrodos, que pueden realizar la modularización de la fabricación de electrodos o una preparación de electrodos más inteligente. Mediante el uso de los parámetros de diseño anteriores para predecir el proceso de fabricación de electrodos de seguimiento y realizar mediciones en línea para ajustar continuamente los parámetros del proceso de fabricación de electrodos de seguimiento.

Estas nuevas tecnologías permiten alinear mejor los materiales de los electrodos y aprovechar plenamente las propiedades intrínsecas de los materiales electroquímicamente activos para el diseño de la fabricación de electrodos. Estas nuevas tecnologías utilizan principalmente el aprendizaje automático para guiar la tecnología de fabricación rápida de electrodos.

Tecnología innovadora para la estructura de partículas de materiales de electrodos de baterías de iones de litio

Se manifiesta principalmente en el cambio de la estructura de partículas del material del cátodo, y la baja conductividad electrónica del material, la lenta difusión en estado sólido, las grietas, etc. afectan al rendimiento de la batería. A lo largo de los años, se han aplicado diversas técnicas innovadoras para modificar la estructura de partículas de los materiales activos. Estas técnicas incluyen el recubrimiento de la superficie, el dopaje, el refuerzo de los límites de grano, las partículas secundarias de ingeniería, la morfología monocristalina, etc.

El recubrimiento de la superficie puede mejorar la resistencia estructural de las partículas secundarias, lo que permite que el material alcance una vida útil más larga y una mayor tasa de retención de la capacidad. La técnica habitual de coprecipitación en materiales ternarios ha logrado un gran éxito en la síntesis de partículas binarias con diferentes morfologías estructurales.

En los últimos años, se ha descubierto que las partículas primarias pueden proporcionar una vía de difusión en estado sólido más rápida para los iones de litio con el fin de mejorar el rendimiento de la velocidad de la batería, y la disposición radial de las partículas primarias también es beneficiosa para reducir el impacto de la tensión mecánica causada por los cambios de volumen durante los ciclos. En la tecnología de fabricación de electrodos, la morfología monocristalina del material ayuda a eliminar la formación de microfisuras y garantiza una mayor vida útil del material de la batería durante los ciclos.

A pesar de los grandes éxitos en la ingeniería estructural de los materiales catódicos, la mayoría de las partículas de material activo catódico tienen una baja conductividad electrónica. En el proceso de fabricación de electrodos, es necesario añadir aditivos conductores para mejorar la conductividad, pero el proceso húmedo tradicional no puede garantizar la distribución uniforme del agente conductor en la formación de la red de permeación electrónica. La síntesis de partículas compuestas de materiales activos y agentes conductores ha surgido como un nuevo enfoque para este reto.

Los hechos han demostrado que la tecnología de modificación de la estructura de partículas de estos materiales puede resolver eficazmente los problemas que plantea la microestructura de fabricación de los electrodos. En la actualidad, la síntesis de partículas monocristalinas AM de materiales de cátodo de alto contenido en níquel se ha convertido en una tendencia de desarrollo de la industria. Además, se promueve la comprensión de la relación entre el proceso de síntesis por coprecipitación y la relación entre el producto y el rendimiento mediante el establecimiento de un modelo.

Aplicación del aprendizaje automático en el proceso de fabricación de electrodos

El proceso de producción de baterías de iones de litio consta de varios procesos continuos y discontinuos en los que intervienen características químicas, físicas, electroquímicas y térmicas. Por lo tanto, las distintas fases del proceso de producción dependen unas de otras. En litio top 100 fabricantes, los métodos tradicionales de determinación, análisis y control de los datos de las etapas del proceso de fabricación de baterías de iones de litio se derivan principalmente del análisis cualitativo, que requiere mucho tiempo y esfuerzo de depuración.

La IA y el aprendizaje automático proporcionan potentes herramientas para aclarar la relación entre los procesos complejos e interconectados que intervienen en la fabricación de baterías de iones de litio. Tiene el potencial de permitir a los investigadores realizar análisis y evaluaciones cuantitativos y sistemáticos de los procesos de fabricación relacionados, y de ofrecer recomendaciones más eficaces para la fabricación. La mejora del proceso de fabricación de baterías de iones de litio mediante técnicas de aprendizaje automático requiere un marco de bucle cerrado, y el aprendizaje automático también se enfrenta a algunos retos.

Conclusión

Las baterías de iones de litio son un factor clave para alcanzar el objetivo mundial de descarbonización. Cuando la demanda alcanza los TWh o más, plantea nuevos retos al proceso de producción actual en términos de rendimiento y coste, y exige innovar en las tecnologías de producción y fabricación existentes. En cuanto a la fabricación de electrodos, es posible establecer un sistema de conocimiento de la estructura de los electrodos y comprender cómo se ve afectada por la industrialización, lo que ayudará a dominar nuevas tecnologías para una fabricación de electrodos más limpia, eficiente y ahorradora de energía.

Las futuras tecnologías de fabricación de electrodos pueden dividirse en mejoras incrementales e innovaciones subversivas. Como la tecnología de síntesis de materiales compuestos para cátodos, la nueva y eficiente tecnología de recubrimiento de electrodos, la tecnología de fabricación de electrodos en seco y la aplicación del aprendizaje automático, etc.