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El futuro del sector de las baterías de iones de litio es increíblemente prometedor. En las aproximadamente tres décadas que han pasado desde que esta tecnología pasó de los laboratorios a las líneas de producción, ha ido mejorando cada vez más y ahora está preparada para convertirse en un factor clave en una revolución global del transporte. A medida que aumentan las demandas, también lo hace la presión sobre los fabricantes. ¿Cómo pueden ampliar y mejorar eficazmente sus operaciones para convertir los desafíos que enfrentan en oportunidades?
Las baterías de iones de litio requieren materias primas costosas y se someten a un proceso de producción particularmente complejo con altas tasas de desguace. Si los fabricantes quieren ampliar sus operaciones y ayudar a que los vehículos eléctricos ocupen su lugar en el corazón del sector del transporte, necesitan todas las ventajas posibles que puedan encontrar.
Un enfoque que puede ayudar a lograr esta ventaja es la digitalización: la implementación de tecnologías digitales para recopilar y procesar las enormes cantidades de datos que se producen en la fabricación moderna, brindando información para obtener beneficios tangibles para el proceso de producción.
Es difícil exagerar el espectacular crecimiento que experimentará el sector de las baterías de iones de litio en la próxima década. La creciente demanda del sector de los vehículos eléctricos ya ha contribuido a que el mercado mundial se expanda de unos 40.000 millones de dólares en 2018 a más de 60.000 millones en 2022, y se prevé que esta tasa de crecimiento se acelere. Se prevé que, para finales de la década, el mercado valdrá más de un cuarto de billón de dólares1.
Se prevé que para finales de la década, el sector mundial de baterías de iones de litio valdrá más de un cuarto de billón de dólares.
Fuente: Mitsubishi Electric Europe, Germany - Data Source: https://www.statista.com/statistics/1339880/global-battery-market-size-by-technology/
Sin embargo, la magnitud de esta expansión plantea varios desafíos. No solo se prevé que la competencia aumente increíblemente, sino que las materias primas utilizadas para crear baterías de iones de litio se volverán aún más caras a medida que aumente la demanda. El litio, el cobalto y el níquel deben extraerse y procesarse antes de usarse en la fabricación, y la AIE predice que la demanda total de los minerales necesarios para la producción de vehículos eléctricos se multiplicará por 30 entre 2020 y 2040.
Para que el sector manufacturero pueda satisfacer la creciente demanda de vehículos eléctricos, es fundamental que la producción sea lo más eficiente posible. Sin embargo, uno de los principales desafíos que enfrenta actualmente el sector de las baterías es implementar un control de calidad eficaz y abordar las altas tasas de desperdicio.
A pesar de estar fabricados con materiales valiosos, una planta típica puede esperar ver que aproximadamente el 10% de los productos terminados no cumplen con los estándares mínimos y terminan como chatarra. En muchos casos, esta tasa puede ascender hasta el 30%. Este alto nivel de chatarra es increíblemente caro y es una de las razones por las que la batería suele representar hasta el 60% del costo total de un vehículo eléctrico.
Esto no se debe a un descuido o a un comportamiento irresponsable por parte de los fabricantes, sino a que el propio proceso de fabricación dificulta enormemente la aplicación de las medidas tradicionales de control de calidad.
La fabricación de baterías de iones de litio comienza con la creación de cintas (o láminas) de metal: cobre para el ánodo y aluminio para el cátodo. El tamaño de estas cintas puede variar ampliamente, dependiendo del diseño y las especificaciones de las baterías que se producen, pero por lo general tienen varios cientos de metros de largo (a menudo se extienden más de un kilómetro en las plantas de fabricación más grandes) y un ancho que va desde unos pocos centímetros hasta más de un metro.
Para convertirlas en baterías, las cintas se recubren con una fina película de lodos de material activo. El cátodo suele utilizar materiales como óxido de cobalto y litio, fosfato de hierro y litio u otros óxidos metálicos de litio, mientras que el ánodo se recubre con grafito o materiales a base de silicio.
Independientemente de los materiales utilizados, el grosor de estos recubrimientos tiene un gran impacto en la capacidad energética de la batería terminada y en la eficiencia del transporte de iones. Los recubrimientos más gruesos pueden almacenar más material activo, lo que podría aumentar la capacidad general de almacenamiento de energía de la batería. Sin embargo, este beneficio tiene una desventaja, ya que los recubrimientos demasiado gruesos pueden impedir el movimiento de los iones de litio entre los electrodos, lo que reduce las velocidades de carga y descarga de la batería.
Este equilibrio entre el grosor para un mayor almacenamiento de energía y la necesidad de un transporte de iones eficiente es fundamental, ya que afecta directamente al rendimiento de la batería, especialmente en aplicaciones de vehículos eléctricos que exigen un suministro rápido de energía. Si un revestimiento es demasiado grueso o demasiado fino, es posible que grandes secciones de una cinta no sean adecuadas para su uso en un producto terminado.
Aunque el grosor ideal variará según los requisitos exactos del fabricante, los revestimientos de cátodo suelen estar en el rango de 100 a 200 μm, mientras que los revestimientos de ánodo tienden a ser ligeramente más finos, normalmente alrededor de 70 a 120 μm. Casualmente, este es aproximadamente el rango de grosor esperado para un cabello humano.
Como era de esperar, mantener una película uniforme tan fina en un área que mide hasta cientos de metros cuadrados es increíblemente difícil. Docenas de factores pueden afectar el grosor del producto terminado, desde la temperatura de la película hasta la humedad dentro de la planta.
Dar sentido a estos datos complejos y en constante cambio es casi imposible para las configuraciones de fabricación convencionales. Sin embargo, aquí es donde la correcta implementación de tecnologías de fabricación digital puede ayudar a las empresas a sobresalir.
Las líneas de fabricación modernas están equipadas con una amplia gama de sensores que generan un enorme volumen de datos. Cuando estos datos se analizan de forma eficaz, se pueden utilizar para realizar mejoras significativas en el proceso de fabricación.
Una aplicación común es el mantenimiento predictivo. Por ejemplo, al analizar las tendencias de los datos, es posible predecir cuándo una máquina requerirá un mantenimiento específico en función de si el accionamiento consume un poco más de corriente de lo habitual o si se produce un aumento en la amplitud de las oscilaciones. Esto permite a los operadores abordar el problema mucho antes de que comience a causar problemas reales, lo que evita tiempos de inactividad inesperados y mejora la eficiencia.
Las empresas pueden utilizar este mismo principio para mejorar el estado de la fabricación de baterías de iones de litio, no solo introduciendo un mantenimiento predictivo, sino también determinando qué factores se correlacionan con la calidad de las celdas. Esto puede determinar qué parámetros se pueden controlar para lograr celdas de alta calidad, mejorando el valor de las baterías funcionales y reduciendo la cantidad de materiales que se deben desechar.
Mitsubishi Electric ya ha aplicado este conocimiento a las líneas de producción de baterías de iones de litio del mundo real, con resultados impresionantes. El equipo se centró en el problema de la falta de uniformidad en el espesor de la película y recopiló datos de 127 parámetros diferentes para determinar cuáles podrían estar relacionados.
Con la ayuda de la solución MELSOFT MaiLab impulsada por IA de Mitsubishi Electric, descubrieron que cuatro estaban fuertemente correlacionados con las variaciones en el espesor del revestimiento: tensión, presión del revestimiento, sobretemperatura y distancia desde la abertura del revestimiento.
Equipados con esta valiosa información, el equipo creó una regla de diagnóstico para detectar el espesor. Luego la combinaron con tecnología de automatización industrial, como controladores de tensión, para monitorear y modificar cuidadosamente los parámetros para garantizar que la mayor parte posible de la cinta cumpliera con los estándares de calidad.
Implementar las herramientas, la tecnología y la experiencia necesarias para una línea de fabricación digital no es necesariamente un procedimiento complejo ni un cambio binario, de todo o nada, que deba implementarse en toda la línea de producción de una sola vez. Sin embargo, es un cambio que debe abordarse con cuidado. Una implementación exitosa requiere más que simplemente comprar el equipo adecuado. Debe abordarse desde dos ángulos al mismo tiempo: técnico y operativo.
Desde el punto de vista técnico, un fabricante necesita tener acceso a las herramientas adecuadas. Esto significa garantizar que todas las máquinas y sensores tengan una excelente conectividad y estén conectados a un centro de datos de alta calidad mediante soluciones de redes industriales avanzadas. Soluciones como la red CC-Link IE TSN y los ordenadores industriales MELIPC pueden permitir un muestreo de alta fidelidad, algo imprescindible para trabajar con materiales tan complejos y cambiantes como las baterías de iones de litio.
Además de esto, es importante invertir en excelentes herramientas de visualización y correlación, como las incluidas en MaiLab y la suite ICONICS GENESIS64. Estas permitirán a los expertos descubrir los conocimientos ocultos en los datos y permitir que los algoritmos impulsados por IA analicen grandes cantidades de información y descubran correlaciones que ningún humano habría detectado jamás.
Una herramienta de gemelo digital como MELSOFT Gemini de Mitsubishi Electric permite a los fabricantes crear una réplica virtual del proceso y probar cualquier cambio. Sin embargo, es importante no complicarse demasiado con un gemelo digital, especialmente durante las primeras etapas del proceso digital de una empresa. No tiene mucho sentido intentar modelar una fábrica entera cuando en realidad solo te interesa una pieza de maquinaria.
En el plano operativo, la digitalización en la fabricación de baterías de iones de litio comienza con la creación de una base operativa sólida, esencial para aprovechar todo el potencial de las nuevas tecnologías.
En lugar de una revisión radical, los fabricantes deberían adoptar un enfoque gradual, iniciando proyectos piloto dirigidos a áreas específicas de sus operaciones. Estos proyectos sirven como un primer paso práctico, ayudando a los equipos a familiarizarse con las nuevas herramientas y procesos en un contexto manejable, abordando cualquier problema a menor escala y demostrando los beneficios tangibles de la digitalización.
Los proyectos piloto con objetivos claros y mensurables ofrecen una forma estratégica de mostrar ganancias rápidas, asegurando la aceptación de las partes interesadas y allanando el camino para una implementación más amplia. Este enfoque metódico permite la integración fluida de las tecnologías de fabricación digital, reduciendo los riesgos y mejorando la eficiencia y la calidad del proceso de fabricación. Al comenzar a pequeña escala y escalar en función de los éxitos, los fabricantes pueden garantizar una transición más eficaz a la fabricación digital, posicionándose para satisfacer las demandas cambiantes del mercado de baterías.
El sector de las baterías de iones de litio se enfrenta a oportunidades increíbles, pero también a enormes desafíos. A medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos, aumentar la producción requiere no solo una planificación estratégica, sino también la adopción de tecnología y datos para sortear estas complejidades de manera eficiente.
En este sentido, la digitalización ofrece un camino claro a seguir. Permite la monitorización y el análisis en tiempo real, lo que mejora la toma de decisiones y la calidad del producto, al tiempo que reduce los residuos. La transición hacia la fabricación digitalizada exige inversión y un cambio de mentalidad, pero promete beneficios tangibles. A medida que evoluciona la industria de las baterías de iones de litio, adoptar la digitalización no es solo una opción para quienes aspiran a liderar la transición energética sostenible, sino una necesidad.
Aunque la digitalización suele quedar ensombrecida por una nube de jerga y lenguaje empresarial —«Industria 4.0», «fabricación inteligente», «Internet de las cosas», etc.— la realidad es sencilla. El núcleo de la digitalización reside en transformar lo analógico en digital y, a continuación, aplicar conocimientos y experiencia en ingeniería para ofrecer procesos mejorados y optimizados. No tiene por qué ser más complicado que eso.
Descubra más sobre “Improving lithium-ion battery production with targeted digitalisation strategies” on https://emea.mitsubishielectric.com/fa/solutions/industries/lithium-ion-battery
