El conocimiento es poder

Big Data está impulsando la innovación sostenible en la fabricación LIB, explica Klaus Petersen

Las celdas de las baterías de iones de litio (LIB) se encuentran en el centro de las estrategias globales de electrificación y ayudan a cumplir los ambiciosos objetivos de cero emisiones netas. Para hacer frente a la demanda de rápido crecimiento de estos productos, los fabricantes de celdas LIB deben aumentar la producción y ofrecer productos de alta calidad con una huella ambiental limitada y plazos de entrega cortos. Estos objetivos son cada vez más fáciles de alcanzar cuando se adoptan soluciones automatizadas basadas en datos. La fabricación de celdas LIB puede aumentar rápidamente la productividad y el rendimiento al tiempo que mejora su impacto ambiental al aprovechar Big Data.

La cantidad de vehículos eléctricos (EV) se está disparando, con la cantidad total de autos eléctricos en las carreteras del mundo en 2021 alcanzando un pico de 16,5 millones. En el mismo año, las ventas de vehículos eléctricos nuevos alcanzaron un nuevo récord de 6,6 millones, lo que representa casi el 10 % de las ventas mundiales de automóviles.

El paso del transporte tradicional por carretera impulsado por combustión a los vehículos eléctricos está respaldado por la demanda de los clientes, así como por los ambiciosos estándares de eficiencia y CO2 de los vehículos. De hecho, en la mayoría de los principales mercados de vehículos eléctricos, estos medios de transporte se consideran clave para lograr los objetivos de descarbonización, ya que el uso de vehículos eléctricos puede generar el desplazamiento de 1,6 millones de barriles de petróleo por día para 2025 (excluyendo los vehículos de dos y tres ruedas). ). Se espera que esta cifra alcance los 4,6 mb/d para 2030.

El mercado favorable actual significa que existen oportunidades valiosas para los fabricantes de LIB que atienden al sector del transporte, ya que estas celdas electroquímicas desempeñan un papel clave en la transición hacia una movilidad más sostenible. Más precisamente, se estima que la capacidad global anual cubierta por las baterías EV aumentará de aproximadamente 340 GWh en la actualidad a más de 3500 GWh por año para 2030.

En el núcleo de los vehículos eléctricos se encuentran los paquetes de baterías de iones de litio, donde varias celdas se ensamblan en un marco para formar un módulo, que está equipado con sistemas clave, como control, protección y refrigeración. Por lo tanto, estas son la tecnología habilitadora para impulsar los medios de transporte de próxima generación.

Las celdas LIB, a su vez, están hechas de capas de láminas de metal recubiertas con una fina capa de material conductor activo. Estos dos componentes forman los elementos clave de la batería, el ánodo y el cátodo, que están separados por una película porosa y electrolitos. Por lo general, es necesario combinar múltiples capas de ánodos y cátodos dispuestos en forma cilíndrica o prismática, dando a las baterías la forma requerida por la aplicación.

En el núcleo de los vehículos eléctricos se encuentran los paquetes de baterías de iones de litio, donde varias celdas se ensamblan en un marco para formar un módulo.

Esta estructura se obtiene mediante el recubrimiento de la lámina metálica y el calandrado, que es un proceso complejo y preciso que involucra etapas de secado y laminación. Luego sigue el corte del material, lo que implica cortar la lámina en tiras. Finalmente, según el formato de la batería, se troquelan a medida, se apilan o enrollan y, posteriormente, se envían a los pasos finales del proceso antes de someterse a las pruebas de fin de línea.

La entrega de productos de alta calidad constante es clave para aumentar la producción, ya que estos son esenciales para garantizar que se ofrezca la capacidad, el voltaje y la resistencia correctos, lo que en última instancia determina el rendimiento y la seguridad de la batería. Dado que hay tantas etapas críticas involucradas en la fabricación de celdas LIB, las empresas deben invertir en activos de producción robustos, resistentes y orientados al futuro si quieren poder abordar las demandas vertiginosas del mercado actual y futuro mientras reducen su impacto ambiental.

En los procesos continuos de producción de células LIB, esto puede ser un desafío. En primer lugar, es necesario manejar materiales de láminas delgadas y delicadas a alta velocidad sin sacrificar la exactitud y la precisión. Dado que la densidad de energía de la batería debe seguir aumentando, las láminas utilizadas pueden volverse más delgadas, según la tecnología elegida, y por lo tanto, más difíciles de procesar. Esto significa que los productores necesitan encontrar soluciones sólidas para un tensado óptimo. En segundo lugar, las imprecisiones y las impurezas se acumulan a lo largo de las diferentes etapas de procesamiento y el control de calidad convencional puede dar lugar a altas tasas de rechazo. Estos aspectos pueden, en última instancia, afectar la productividad y la eficiencia.

Además de estos problemas, los productores de células LIB deben considerar otros aspectos clave. Por ejemplo, dado que los metales requeridos por la industria son escasos, costosos e involucran procesos de minería intensivos en carbono, es crucial que los fabricantes garanticen un uso óptimo de los recursos para una producción eficiente de BI. Al hacer esto, pueden minimizar sus costos e impacto ambiental mientras aumentan su rentabilidad y ROI.

Abordar el potencial de cualquier problema de rendimiento de la batería es otro desafío sobre el que los fabricantes deben ser proactivos. Ser capaz de aprovechar los sistemas de seguimiento y localización de materiales para completar rápidamente el análisis de causa raíz y abordar cualquier problema de procesamiento en el piso de producción es clave para evitar el lanzamiento de productos de baja calidad.

Las estrategias de control de calidad basadas en datos son adecuadas para ayudar a las empresas a desarrollar entornos de producción optimizados. Al señalar rápidamente las anomalías, detectar y prevenir deficiencias de calidad, especialmente en los primeros pasos del proceso, ayudan a evitar problemas mayores más adelante en la línea de producción. Esto, a su vez, puede reducir el volumen de celdas LIB fuera de especificación y subóptimas al tiempo que mejora el uso de materiales y energía. Además, los enfoques basados ​​en datos son el núcleo de las estrategias de seguimiento y localización, ya que pueden proporcionar información precisa, incluso en procesos continuos, que son muy complejos.

Por lo tanto, las empresas deberían invertir en dispositivos de automatización que puedan generar datos clave sobre procesos, equipos y materiales que se utilizan. Luego, estos deben analizarse o extraerse para crear modelos predictivos que puedan usarse para identificar los parámetros que determinan la calidad del producto, las operaciones óptimas y el rendimiento de los activos.

El poder de procesamiento de datos de la tecnología actual basada en inteligencia artificial (IA) no tiene precedentes. Es tan avanzado que los métodos tradicionales basados ​​en expertos ni siquiera pueden competir. De hecho, pueden escanear grandes volúmenes de figuras, identificar patrones clave, inliners y delineadores, así como interpolar múltiples conjuntos de datos para generar algoritmos predictivos en diferentes procesos. Además, es posible desarrollar modelos generales que tengan en cuenta todos los diferentes pasos y activos de toda la cadena de producción de células LIB para proporcionar indicaciones clave sobre la calidad del producto final.

Una vez que se genera este conocimiento, las empresas LIB pueden aprovechar estos conocimientos para monitorear y controlar sus actividades en tiempo real. Aún más, mediante el uso de sellos de tiempo y marcas para la identificación de la sección de la película, pueden facilitar el seguimiento y la localización que, en última instancia, ayudan a la serialización, la resolución de problemas y la identificación de la causa principal.

Gracias a todos estos aspectos, los fabricantes de LIB basadas en datos pueden beneficiarse de ahorros considerables en términos de eficiencia y costos, lo que puede impulsar la rentabilidad y la sostenibilidad. Por ejemplo, una línea de producción de 10 GWh no orientada a datos puede estar produciendo el 70 %, 10 %, 5 % y 5 % de las celdas que ofrecen, respectivamente, 100 %, 90 %, 80 % y 70 % de capacidad con 10 % de productos que necesitan ser desechados. Teniendo en cuenta los costos generales asociados con cada celda individual, si la fabricación inteligente puede mejorar estas capacidades incluso en un solo punto porcentual, el impacto ambiental y financiero puede ser considerable. En efecto, cada 1% de chatarra evitado en una línea de 10GWh que genera unos ingresos de 90€/kWh de capacidad de batería se traduce en un ahorro de 9 millones de euros.

Hay más oportunidades a considerar, ya que la adopción de fábricas de células LIB inteligentes y basadas en datos conduce a una optimización continua de los procesos de fabricación. Los modelos predictivos desarrollados pueden utilizar nuevos datos, que son generados regularmente por equipos automatizados, para refinar sus pronósticos y proporcionar información cada vez más precisa para mejorar las operaciones, los productos y los activos. Como resultado, los fabricantes pueden utilizarlos como parte de estrategias de mejora continua que pueden ayudar a fortalecer la competitividad a largo plazo.

Las empresas interesadas en mejorar sus líneas de producción de células LIB ahora pueden aprovechar una serie de soluciones avanzadas y probadas. Mitsubishi Electric ofrece un excelente ejemplo, que lanzó una innovadora barra de escaneo en línea para inspeccionar la superficie de los materiales en proceso en tiempo real. El instrumento está equipado con tecnología de sensor de imagen de contacto (CIS) para proporcionar información de alta resolución sobre las condiciones de la superficie del colector de corriente revestido. Al procesar los datos generados por esto, las empresas pueden aprovechar una herramienta clave para ayudar a determinar la calidad de las LIBcells con una resolución y precisión extremadamente altas, mejorando en última instancia la calidad del producto final.

Klaus Petersen está conMitsubishi Electric Europa