Fabricación baterías LiPo

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Fabricación baterías LITIO POLIMERO
FABRICACIÓN
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 de la atmósfera protectora
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Obtención de las materias primas
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Fabricación del Litio laminado
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Proceso de laminación
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Calidad
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Enrollado de la lámina
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Fabricación del electrolito
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Fabricación de la lámina de aluminio
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Pegado de láminas
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Devanado
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Soldadura de los electrodos
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Aislamiento, circuitos de protección y carcasas:
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Almacenamiento:
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Baterías de Ion-Litio (Li-Ion)
Este era el ultimo tipo de tecnología de baterías, antes de la aparición del Litio. 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. 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.
El funcionamiento es el representado en las figuras superiores, el metal de litio
ionizado en dos cámaras separadas reacciona con un electrolito 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.
Litio Polímero (LiPo)
Posee una mayor densidad de potencia que el resto de las baterías. Son mas 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 polímero de litio se diferencia del resto de las baterías por el
electrolito usado.
El polímero sólido (como electrolito) 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 polímero 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 que
modifica la capacidad de conducir cargas eléctricas..
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La baterías LiPo al ser completamente de estado sólido pueden empaquetarse de
cualquier forma, dando mas márgenes de fabricación.
Lámina reactiva
Este tipo de baterías utiliza una configuración compuesta por un ánodo de litio
metálico, un co polímero compuesto por polietileno, oxido de vanadio y una sal de
litio (LiTFSI: (trifluorometil) sulfonato amiduro de litio de fórmula (CF3SO2)2N-Li+
en abreviado LiTFSI).
Para ver porque esta configuración electroquímica aporta tan buenos resultados a las
baterías vamos a interiorizarnos mas de 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 lamina 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
laminas de ánodo y cátodo. Es un sólido de textura gomosa, que puede estar
constituido de diversos compuestos según fabricante, pero la tendencia mas 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 laminas para darles la
forma deseada a las baterías.
El resultado es una celda totalmente en estado sólido sin tener ningún componente
gel ni liquido 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.
Para evitar la degradación de la batería se incluyen algunas capas intermedias.
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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.
La conductividad iónica del electrolito
es el punto critico de este tipo de
acumuladores. La resistencia interna que
opone esta membrana es causante de la
mayoría de las condiciones de diseño.
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 es necesario una gran superficie de conducción de manera de
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 mas acentuado
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 varía fuertemente
con la temperatura.
La composición de LiTFSI con
aditivos co monómeros en matriz de óxido de polietileno es la que mejor resultado da a
temperaturas mas bajas (40ºC - 60ºC).
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Video explicativo:
http://youtu.be/MqywKcJ0J2M
Referencias:
Fabricación baterías litio Ismael Simón Carrasco
Salares – Litio- Argentina Berizzo
YouTube.com
es.wikipedia.org
Noviembre 2013.-
Recopilación, traducción y adaptación
Ing. Ricardo Berizzo -U.T.N. Rosario