Fabricación sostenible de baterías a la vista

Producción de baterías respetuosa con el medio ambiente

Uno de los aspectos más destacados del proyecto es la transición de la producción de cátodos a un proceso acuoso. Esta innovación hace que la fabricación de baterías sea mucho más sostenible. Además, se llevó a cabo una evaluación económica de los nuevos procesos de reciclado de baterías, que ya son más rentables a escala piloto que los procesos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos utilizados anteriormente en la industria. El equipo del proyecto puede mirar atrás con orgullo por sus esfuerzos colectivos. Se han alcanzado todos los objetivos e hitos del proyecto, coordinado por Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH, con diez socios directos del proyecto y dos socios asociados. El potencial de aplicación comercial de los resultados es elevado.

Principales avances del proyecto IDcycLIB

El proyecto de investigación colaborativa IDcycLIB se centró en el desarrollo de un ciclo de vida sostenible de las baterías con cinco objetivos clave en 2021:

• "Baterías de litio más ecológicas" utilizando procesos basados en el agua en la producción de cátodos.
• "Diseño para el reciclaje" para facilitar el procesamiento posterior de las baterías retiradas, por ejemplo, una separación más sencilla de las juntas de sellado.
• Detectabilidad / Pasaporte de la batería: identificación clara mediante partículas marcadoras magnéticas y fluorescentes.
• Procesos de reciclado basados en el agua: fragmentación electrohidráulica a lo largo de los límites del material y tecnologías innovadoras de centrifugado.
• Evaluación del ciclo de vida y cálculo del coste del ciclo de vida: consideración de todo el ciclo de vida y fabricación de la batería en lo que respecta a su impacto medioambiental, incluida una plataforma digital para implantar el pasaporte de batería necesario.
• El coordinador del proyecto, Felix Seiser, de Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH, declaró: "Se abordó el proceso completo de creación de valor de la batería y sus potenciales de mejora en términos de respeto al medio ambiente, rendimiento y economía".

Importancia del Pasaporte Digital de la Batería

El Reglamento europeo sobre baterías exige un etiquetado significativo para las baterías en el futuro. Este etiquetado proporciona información esencial para el funcionamiento seguro y la recuperación eficiente de los materiales de las baterías, incluida la huella de carbono. Sin embargo, aún no se han especificado de manera uniforme las ayudas técnicas y las normas para capturar los datos de producción y la asignación individual a celdas de batería específicas.

El Dr. Andreas Flegler, coordinador científico del proyecto en Fraunhofer ISC, explicó: "En el proyecto IDcycLIB desarrollamos procesos y materiales que permiten la recogida automatizada e individualizada de datos en la producción de células, así como su transferencia a un sistema de base de datos adecuado". El núcleo del trabajo en este campo fue la definición de un pasaporte de pilas por iPoint. Esto permite por primera vez trazar el recorrido completo, desde la producción de células, la recogida de datos durante la producción, la asignación a un UUID, el almacenamiento de datos, las interfaces, hasta la identificación de las células, la recuperación y la visualización del pasaporte de la batería. Además, esto se hace con un marcado a prueba de manipulaciones que es extremadamente robusto y, por tanto, ideal para productos duraderos como las pilas. Utilizando partículas marcadoras magnéticas especialmente diseñadas por el grupo de partículas de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg, junto con la metodología de detección del Instituto Fraunhofer de Circuitos Integrados IIS y los patrones de partículas de Polysecure, cada célula de la batería puede identificarse de forma segura con su "huella dactilar" única. Incluso los componentes individuales, como los materiales de los electrodos, se etiquetaron con partículas marcadoras fluorescentes de Polysecure para seguir la trayectoria de los materiales y facilitar la clasificación en el proceso de reciclado.

Desarrollar este sistema de marcadores, que también puede etiquetar componentes individuales dentro de la pila sin alterar su funcionamiento ni acortar su vida útil, fue un reto especial para el equipo del proyecto. La identidad única a través de los patrones de partículas se vinculó con un "Identificador Único Universal" (UUID). Este UUID es una secuencia de números única en el mundo que se utiliza para la identificación precisa de información en sistemas informáticos. El UUID conecta la célula o componente respectivo con el correspondiente conjunto de datos generado durante la producción. Esto permite abordar distintos niveles -pasaportes individuales para cada componente, así como para toda la batería- y proporcionar información relevante sobre las características del producto, la composición, las materias primas críticas, la reciclabilidad, la huella de carbono del automóvil y métricas específicas.

Para recuperar la información, se utilizó en el proyecto una nueva tecnología de detección de Polysecure, que puede leer y procesar rápidamente la información almacenada en los pat-terns de partículas. El suministro de datos de producción en el pasaporte de la batería fue posible utilizando modelos de datos de redes de intercambio de datos existentes, como la red de automoción CATENA-X, y en preparación para el "Eclipse Dataspace Connector". De este modo se garantiza la in-teroperabilidad necesaria, es decir, la capacidad de intercambiar datos entre sistemas comunes, lo que permite un acceso rápido a los datos almacenados en el pasaporte de baterías.

Avances en la fabricación de electrodos: procesamiento con agua

Para una fabricación más sostenible de los componentes de las baterías, en IDcycLIB se analizó el proceso de producción de los cátodos. Para el material aglutinante utilizado, el PVDF (fluoruro de polivinilideno) -un miembro de la cada vez más criticada familia de los PFAS-, el equipo IDcycLIB del Fraunhofer ISC empleó un aglutinante a base de celulosa. Además, el disolvente NMP (N-metil-2-pirrolidona), utilizado anteriormente en la fabricación de cátodos, se sustituyó por agua. La NMP se considera tóxica para la reproducción, lo que significa que puede alterar la capacidad reproductiva.

El proceso basado en agua desarrollado en IDcycLIB es, por tanto, un paso significativo hacia una fabricación de baterías más respetuosa con el medio ambiente. "El agua es, en principio, el medio de proceso deseado. Sin embargo, nos enfrentábamos al reto de que los materiales de cátodo comunes y también los colectores de corriente hechos de aluminio se dañaban con el agua", explica Fleg-ler. Para proteger de daños el material activo necesario para la carga de la batería en los cátodos, el equipo del Fraunhofer ISC modificó la superficie con un recubrimiento especial. El proceso de fabricación de cátodos con materiales más respetuosos con el medio ambiente se amplió a un proceso de rollo a rollo, produciendo celdas de batería a escala de prototipo para pruebas de ciclo de vida subsiguiente y reciclaje. El proceso al agua es una auténtica novedad a esta escala y ofrece otra ventaja, como explica Seiser: "Gracias al aglutinante de celulosa soluble en agua, también podemos volver al agua como disolvente durante el reciclado posterior."

Reciclado directo económico

Como éxito particular del proyecto, los socios valoran los avances en el reciclado directo. Las celdas de las baterías se separan limpiamente con un nuevo método, la llamada desfragmentación electrohidráulica en REELEMENTS, socio del proyecto, a lo largo de los límites del material y, a continuación, pueden separarse en fracciones de material individuales, es decir, "clasificarse", utilizando la innovadora y automatizada tecnología de centrifugado de CEPA desarrollada en IDcycLIB. Esto permite la recuperación funcional de los materiales de la batería, que pueden utilizarse directamente para la producción de nuevas células de batería.

El envejecimiento de los materiales puede remediarse mediante procesos de regeneración. Con la nueva tecnología de medición, el contenido de litio, flúor y alúmina en el agua de proceso también puede determinarse directa y rápidamente (en cuestión de minutos). "El reciclado directo no sólo tiene un alto potencial ecológico en comparación con el estado actual de la técnica. También es ya más económico, incluso en nuestra pequeña escala de proyecto, que los procesos convencionales como la pirometalurgia y la hidrometalurgia", concluye orgulloso Seiser, coordinador del proyecto. Esta ventaja quedó claramente demostrada en el análisis del ciclo de vida del socio del proyecto, EurA. De este modo, el proyecto IDcycLIB ha dado realmente un importante paso adelante.