Como parte del enfoque convencional de procesamiento de electrodos húmedos, se lanza una suspensión en un sustrato. Crédito: Nature revisa la tecnología limpia (2025). Doi: 10.1038/s44359-024-00018-W
Numerosos análisis del mercado han demostrado que en los próximos cinco años, se espera que la demanda de baterías de iones de litio para todo, desde dispositivos eléctricos personales hasta almacenamiento de energía a escala de cuadrícula crezca dramáticamente.
Para satisfacer esta demanda, la fabricación de la batería debe ser más rápida, más barata, más confiable, menos intensiva en energía y menos derrochador. Una parte clave de la fabricación de baterías de iones de litio con un espacio significativo para la mejora es el procesamiento y la fabricación de electrodos.
Para facilitar los avances en esta área, los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han llevado a cabo un integral revisar de la literatura científica sobre tecnologías avanzadas de procesamiento de electrodos. Los hallazgos se publican en la revista Nature Reviews Clean Technology.
El equipo de Argonne colaboró con los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) y Case Western de la DOE en el esfuerzo.
La revisión describe desarrollos recientes, ventajas y desventajas de cuatro categorías de tecnologías. También profundiza en su ingeniería, operaciones e instrumentación. Finalmente, ofrece una perspectiva sobre las futuras tendencias tecnológicas.
La revisión no respalda ninguna tecnología en particular, sino que informa a la industria de la batería y a la comunidad de investigación sobre barreras técnicas clave que deben abordarse para acelerar la comercialización.
“Estas tecnologías avanzadas muestran una gran promesa de reducir los costos de fabricación, lo que puede ayudar a reducir los precios del almacenamiento de energía de la red y las baterías para aplicaciones de movilidad”, dijo Runming Tao, designado posdoctoral de Argonne y el autor principal de la revisión.
“Nuestro estudio proporciona una visión completa y objetiva de la vanguardia para el procesamiento de electrodos de la batería”.
Tao y coautores Zhijia du (ex científica del personal de ORNL y ahora director de desarrollo de baterías en Safire) y Jianlin Li (Gerente del Programa de Almacenamiento y Conversión de Argonne) son expertos líderes en el campo. Durante la última década, han publicado numerosos documentos técnicos sobre los aspectos de electroquímica y ciencias materiales del procesamiento de electrodos.
Las limitaciones del procesamiento de electrodos convencional
El procesamiento de electrodos húmedos convencionales implica mezclar un material conductor, un material electroquímicamente activo y un agente de unión en un disolvente para formar una lechada.
La lechada se lanza sobre un sustrato de aluminio de metal y se seca al calor en un horno. El proceso de secado elimina el solvente y forma un electrodo sólido. Finalmente, una máquina de calendario usa rodillos para comprimir el electrodo en su forma final. En última instancia, el electrodo se ensambla en una batería.
Un electrodo hecho con procesamiento seco. Crédito: Nature revisa la tecnología limpia (2025). Doi: 10.1038/s44359-024-00018-W
Una gran parte del procesamiento húmedo es su dependencia de un solvente orgánico tóxico llamado n-metilpirrolidona (NMP). El proceso de secado que elimina el solvente es muy intensivo en energía, lo que agrega un costo significativo.
Para minimizar los impactos ambientales, el solvente debe recuperarse, lo que requiere equipos y costos operativos adicionales. Eliminar el uso de NMP puede reducir significativamente los costos de energía y material, así como la huella de los equipos de fabricación.
La revisión cubrió cuatro categorías de tecnologías de procesamiento avanzado:
1. Procesamiento húmedo avanzado utiliza equipos similares al procesamiento húmedo convencional. Al usar agua en lugar de NMP como solvente, este método puede reducir los costos de energía en un 25%. La investigación ha demostrado que puede producir electrodos uniformes con buen rendimiento. Sin embargo, todavía requiere un secado basado en el horno intensivo en energía. Además, ciertos materiales de batería pueden necesitar cambios para mejorar su compatibilidad con el agua.
2. Con el curado por radiación, se aplican luz ultravioleta o vigas de electrones a lloses hechas de pequeñas moléculas precursoras. La radiación hace que las moléculas se unan en polímeros (moléculas grandes con unidades químicas repetidas).
Este enfoque puede reducir significativamente y eliminar potencialmente el uso de solventes y hornos. Como resultado, es mucho más rápido que el procesamiento húmedo convencional, puede reducir los costos de energía hasta en un 65% y requiere un 85% menos de espacio en el piso de fábrica. Sin embargo, se necesita más investigación para evaluar la estabilidad y la compatibilidad de los polímeros con otros componentes de la batería.
El enfoque ultravioleta solo puede hacer electrodos delgados. Los electrodos más gruesos requerirían curar varias capas individualmente. Esto podría afectar negativamente el rendimiento de la batería. El enfoque de haz de electrones requeriría equipos más caros y el desarrollo de nuevos procedimientos de seguridad ocupacional.
3. Con el procesamiento seco, se pasa un polvo mixto a través de los rodillos para formar una película de electrodo sólido. Al eliminar la necesidad de solventes y secado intensivo en energía, este método puede reducir los costos de fabricación en un 11% y el uso de energía en un 46% en relación con el procesamiento húmedo convencional. Un desafío técnico clave es la estabilidad limitada de la carpeta en electrodos negativos a base de carbono y baja conductividad electrónica.
“Estos desafíos podrían abordarse con una investigación sobre materiales con diferentes tamaños de partículas, formas y estructuras”, dijo Tao. “Otra necesidad importante de la investigación son las modificaciones del equipo para mejorar la forma en que se mezclan los polvos secos antes de comprimirse”.
4. La impresión 3D utiliza técnicas como la escritura de tinta directa y el jetting de material para fabricar electrodos. La principal ventaja del enfoque es su capacidad para producir formas y diseños de electrodos personalizados y precisos con desechos mínimos. Esto potencialmente lo convierte en una buena opción para las baterías de alto valor utilizadas para aplicaciones de nicho. Las desventajas de la impresión 3D son la velocidad de fabricación lenta y los costosos equipos de impresión.
Todas estas tecnologías son prometedoras para la comercialización. “Las diferentes compañías pueden tener diferentes preferencias en estas tecnologías de procesamiento avanzadas dependiendo de las aplicaciones de batería particulares en las que se centran”, dijo Li.
Según Li, el procesamiento en seco tiene la menor cantidad de barreras técnicas restantes y parece ser las más cercanas a la comercialización a gran escala. De hecho, durante varios años, múltiples compañías líderes han estado investigando el uso del procesamiento seco para las celdas de la batería.
Más información: Runming Tao et al, procesamiento avanzado de electrodos para la fabricación de baterías de iones de litio, la naturaleza revisa la tecnología limpia (2025). Doi: 10.1038/s44359-024-00018-W
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Argonne
Cita: las tecnologías avanzadas de procesamiento de electrodos de la batería muestran prometedor para reducir la energía en la mitad (2025, 20 de agosto) Recuperado el 20 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-battery-electrodo-technologies-nergy.html
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