EEUU impulsa la fabricación de baterías innovadoras con el objetivo de reforzar la competitividad del país

El Laboratorio Nacional de las Rocosas (NLR), dependiente del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), se incorpora al consorcio Battery Manufacturing Accelerator (BattMan), una iniciativa de colaboración nacional destinada a superar los principales obstáculos industriales que dificultan la producción a gran escala y la comercialización de nuevas tecnologías de baterías.

BattMan centrará sus esfuerzos en reducir los costes de fabricación, acortar los plazos de desarrollo y consolidar el liderazgo estadounidense en la producción de soluciones avanzadas de almacenamiento energético para la red eléctrica, las infraestructuras digitales, la movilidad eléctrica y la seguridad nacional. La iniciativa también contribuirá a reforzar las cadenas de suministro de minerales críticos, facilitando el desarrollo de nuevas baterías fabricadas con materiales abundantes y disponibles en el mercado nacional.

El consorcio está dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y cuenta con la participación del Laboratorio Nacional de Argonne y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. También forman parte de sus socios universitarios fundadores la Universidad de Washington, la Universidad de Binghamton, la Universidad de Alabama, la Universidad Estatal de Arizona y la Universidad de Michigan-Dearborn.

Asimismo, BattMan colaborará estrechamente con empresas estadounidenses de los sectores de las baterías y los materiales para probar y validar procesos de fabricación que permitan una producción comercial viable.

“La coordinación de los procesos de fabricación de baterías es fundamental para reforzar la competitividad de Estados Unidos y llevar las innovaciones en almacenamiento energético al mercado”, afirma Donal Finegan, investigador sénior del NLR. “Nuestros investigadores aportan una amplia experiencia en cualificación de materiales, caracterización avanzada y diseño de electrodos para respaldar el enfoque integrado del consorcio BattMan”.

A corto plazo, BattMan implantará técnicas de experimentación de alto rendimiento, síntesis y caracterización automatizadas, y herramientas digitales de fabricación. El objetivo es mejorar la calidad de los datos, la reproducibilidad de los resultados y la uniformidad de los procesos entre las instituciones participantes.

A largo plazo, el consorcio aspira a desarrollar sistemas de fabricación capaces de optimizarse de forma autónoma mediante datos en tiempo real, mecanismos automatizados de retroalimentación y modelos de gemelos digitales que conecten los sistemas virtuales con los reales para detectar oportunidades de mejora del rendimiento.

Acelerar la cualificación de materiales para mejorar el rendimiento de las baterías

Antes de utilizar nuevos materiales en aplicaciones comerciales, es necesario someterlos a un proceso de cualificación exhaustivo y prolongado que garantice un rendimiento uniforme y seguro del producto final en una amplia variedad de condiciones operativas complejas.

"Pequeñas variaciones en el comportamiento de los materiales pueden tener consecuencias importantes en el funcionamiento del sistema en su conjunto", explica Katie Harrison, responsable del grupo de materiales para baterías del NLR. "Nuestro trabajo se basa en conocimientos fundamentados en la física para comprender mejor cómo se relacionan las propiedades físicas de los materiales de los electrodos con el rendimiento de las celdas en condiciones reales de funcionamiento. La mejora de los procesos de diagnóstico puede permitir detectar antes las posibles vías de fallo y acortar el tiempo que transcurre entre el descubrimiento de un material y su producción".

Los investigadores del NLR desarrollarán modelos de aprendizaje automático basados en principios físicos para analizar cómo determinados defectos y heterogeneidades pueden afectar al rendimiento de las celdas incluso años después de su fabricación. De este modo, será posible obtener datos fiables en fases más tempranas del desarrollo.

Además, el laboratorio contribuirá a definir procedimientos de validación e indicadores que permitan cuantificar y registrar datos para medir la uniformidad de los materiales durante los controles de calidad del proceso de fabricación.

Estas mejoras en la cualificación de materiales podrían aportar a la industria la confianza necesaria para adoptar nuevos materiales y procesos productivos, reducir los riesgos y acelerar la incorporación de innovaciones capaces de aumentar la densidad energética y la vida útil de las baterías, así como reducir sus costes.

Inteligencia avanzada para mejorar el control de calidad y la caracterización

Las baterías de mayor rendimiento requieren un diseño minucioso que abarca desde la química a escala atómica hasta la fabricación, el recubrimiento y el ensamblaje de los electrodos.

Las variaciones entre lotes de producción, incluso a escala microscópica, en aspectos como el tamaño de las partículas, la porosidad, la distribución de los aglutinantes o la morfología de las interfaces pueden alterar significativamente el comportamiento de las baterías. Sin embargo, los fabricantes carecen de herramientas suficientes para medir de forma eficaz defectos críticos a escala micrométrica y submicrométrica. Esta limitación dificulta tanto el aumento de la producción como la obtención de resultados uniformes.

Mediante la combinación de inteligencia avanzada con técnicas de imagen y caracterización de última generación, el NLR pretende transformar las mediciones a escala microscópica en información estadísticamente representativa de lotes completos de materiales fabricados. Esto permitiría a los fabricantes evaluar la calidad de sus productos finales a partir de los resultados obtenidos por el laboratorio, sin necesidad de disponer de equipos especializados.

“Nuestro trabajo se centrará en desarrollar técnicas y procesos accesibles, económicos y de alto rendimiento que permitan obtener información clave sobre las prestaciones de los materiales fabricados y realizar controles de calidad tanto durante la producción como una vez finalizada”, señala Finegan. «Estas capacidades podrían proporcionar a los fabricantes información cuantitativa más precisa para detectar defectos en los materiales y optimizar los procesos».

Diseño digital de celdas y fabricación inteligente

Las técnicas avanzadas de computación, como el diseño digital de celdas y la fabricación inteligente, tienen el potencial de transformar significativamente los procesos actuales de producción de baterías. Estas herramientas permiten evaluar cómo las distintas configuraciones de los electrodos pueden influir en el rendimiento de una celda antes de construir un prototipo físico.

La amplia trayectoria del NLR en diseño de electrodos para baterías y modelización multifísica aportará conocimientos esenciales para orientar al consorcio hacia soluciones contrastadas y eficaces.

“La modelización es fundamental para conseguir una fabricación correcta desde el primer intento, ya que permite evaluar digitalmente una amplia variedad de arquitecturas de electrodos para baterías de forma más rápida y eficiente”, explica Andrew Colcasure, investigador sénior del NLR. “Nuestros modelos podrían partir del perfil de funcionamiento deseado y trabajar hacia atrás para ayudar a diseñar la forma y la distribución de tamaños de las partículas de los electrodos, así como las condiciones de recubrimiento”.

Respaldado por la Oficina de Materiales Avanzados y Tecnologías de Fabricación del DOE, dentro de la Oficina de Minerales Críticos e Innovación Energética, BattMan reúne inteligencia avanzada, ciencia de materiales y tecnologías de fabricación avanzadas para crear un ecosistema de innovación basado en datos.

A través de este consorcio, el NLR y sus socios contribuirán al desarrollo de baterías de nueva generación más seguras y fiables, así como a acelerar su implantación, trasladando ideas transformadoras desde la fase conceptual hasta su aplicación comercial.