Análisis comparativo de los procesos de apilado y bobinado en la fabricación de baterías de litio

1. Principios del proceso

Proceso de apilamiento:

Las láminas de ánodo y cátodo se cortan a las dimensiones especificadas y luego se laminan con separadores para formar celdas unitarias. Estas celdas unitarias se apilan en paralelo para crear módulos de batería.

Proceso de bobinado:

Las láminas de ánodo, separadores y cátodo precortadas se enrollan en una secuencia definida alrededor de un mandril fijo, comprimiéndose en formas cilíndricas, elípticas o prismáticas. Los electrodos de bobinado se alojan en carcasas metálicas cilíndricas o prismáticas. Las dimensiones de los electrodos y las espiras del bobinado se determinan según la capacidad de diseño de la batería.

2. Comparación del rendimiento electroquímico

Las celdas apilables presentan una menor resistencia interna gracias a la soldadura paralela de múltiples pestañas, lo que acorta las rutas de migración de los iones de litio. Esto reduce la generación de calor durante el funcionamiento y ralentiza la degradación inicial de la densidad energética. Por el contrario, las celdas de bobinado dependen de la salida de corriente de una sola pestaña, lo que resulta en una mayor resistencia interna.

Ciclo de vida:

Las celdas apilables ofrecen una gestión térmica superior, lo que permite una distribución uniforme del calor. Las celdas de bobinado presentan propiedades estructurales y mecánicas de gradiente, lo que provoca una disipación de calor desigual y gradientes de temperatura localizados. Esto acelera la pérdida de capacidad y reduce la vida útil de las celdas de bobinado.

Estrés mecánico del electrodo:

Los electrodos apilados experimentan una tensión mecánica uniforme sin concentración localizada, lo que minimiza el daño de la capa de material durante los ciclos de carga/descarga. Las celdas de bobinado desarrollan concentraciones de tensión en los puntos de flexión, lo que aumenta el riesgo de fallos estructurales, cortocircuitos y deposición de litio bajo carga eléctrica.

Capacidad de velocidad:

Las celdas apilables logran un rendimiento de velocidad mejorado gracias a las vías de corriente paralelizadas de múltiples capas de electrodos, lo que permite una descarga más rápida de alta corriente. Las celdas de bobinado se enfrentan a las limitaciones de la arquitectura de una sola pestaña.

Diseño de densidad de energía:

El apilamiento optimiza el uso del espacio de empaquetado, maximizando la carga de material activo para una mayor densidad energética. Las celdas de bobinado presentan ineficiencia de espacio debido a la geometría curva de los electrodos y las configuraciones de separadores de doble capa.

3. Ventajas del proceso

Proceso de apilamiento:

• Alta capacidad volumétrica: la utilización superior del espacio permite una mayor capacidad dentro de volúmenes equivalentes.
• Densidad de energía elevada: mayor tensión de descarga y capacidad volumétrica.
• Flexibilidad de diseño: Las dimensiones de electrodos personalizables admiten geometrías de celda no estándar.

Proceso de bobinado:

• Soldadura por puntos simplificada: requiere solo dos puntos de soldadura por celda.
• Escalabilidad de la producción: la configuración simplificada de dos electrodos agiliza el control del proceso.
• Corte eficiente: la operación de corte de ánodo/cátodo único reduce las tasas de defectos.

4. Limitaciones del proceso

Proceso de apilamiento:

• Riesgos de la soldadura en frío: la laminación de múltiples pestañas aumenta la susceptibilidad a soldaduras incompletas.
• Baja eficiencia del equipo: Las máquinas apiladoras nacionales funcionan a 0,8 segundos/capa frente a los 0,17 segundos/capa de sus homólogas importadas.

Proceso de bobinado:

• Altas pérdidas por polarización: el diseño de pestaña única exacerba la polarización interna, lo que degrada el rendimiento de la velocidad.
• Desafíos de la gestión térmica: la dificultad para implementar el aislamiento térmico entre celdas aumenta los riesgos de fugas térmicas.
• Variabilidad del espesor: la falta de homogeneidad estructural provoca un espesor desigual en las pestañas, los bordes separadores y los lados de las celdas.

5. Conclusión

Los procesos de apilamiento y bobinado presentan ventajas y desventajas en la fabricación de baterías de litio. El apilamiento destaca por su densidad energética, rendimiento térmico y flexibilidad de diseño, lo que lo hace ideal para vehículos de nueva energía y sistemas de almacenamiento de energía. El bobinado ofrece ventajas de rentabilidad y escalabilidad para aplicaciones de gran volumen, como la electrónica de consumo. Los continuos avances tecnológicos optimizarán aún más ambas metodologías, impulsando la innovación en la industria de las baterías de litio..

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