Guante de seda para las baterías

El gobierno lleva desde el año 2009 promoviendo la movilidad eléctrica e impulsando el desarrollo y la fabricación de tecnología de baterías: los sectores económicos y políticos están centrados en crear y consolidar los conocimientos necesarios para el desarrollo y la producción de esta tecnología. El Dr. Michael Meister, Secretario de Estado parlamentario del Ministerio de Educación e Investigación alemán, declaró en 2021 en el «Batterieforum Deutschland» que es posible producir celdas de baterías en Alemania de forma rentable. Los informes de los fabricantes de automóviles alemanes sobre cooperación, laboratorios de investigación propios y pruebas para una producción en serie lo confirman. Además de su uso en vehículos eléctricos, las baterías también son importantes en la vida diaria. Desde los destornilladores eléctricos hasta los smartphones, pasando por las bicicletas eléctricas: ya no es posible imaginar un mundo sin electricidad «para llevar». Asimismo, también son relevantes los usos estacionarios, por ejemplo para almacenar energía generada de forma regenerativa.

Cada uso implica diferentes exigencias en lo que se refiere a la tecnología de baterías. No obstante, el uso posterior no tiene mayor importancia para la fabricación, ya que durante este proceso siempre se debe combinar un cuidado y precisión máximos con una producción competitiva de las celdas. Para ello son imprescindibles los elementos auxiliares que permiten transportar de forma segura los cátodos, los ánodos, los separadores y las celdas tipo bolsa, todos ellos componentes muy delicados: garras especiales y efectores finales de J. Schmalz GmbH.

Dos pastas y dos láminas de metal conforman la base de cada una de las baterías de tracción. Para los ánodos se aplica una masa de grafito sobre una lámina de cobre. Los cátodos están formados por una lámina de aluminio sobre la que se aplica una mezcla de óxido metálico compuesta por níquel, cobalto, manganeso y litio. Estas láminas, revestidas por ambos lados, se secan, se calandran y se recortan. Ahora están listas para apilarse. «Para ello, recomendamos las garras especiales STGG, ya que pueden manipular estas delicadas láminas de forma muy dinámica», explica el Dr. Maik Fiedler, director de las Áreas de negocios de Automatización con vacío y Manipulación con vacío. La STGG agarra alternativamente el ánodo, el separador, el cátodo y de nuevo el separador para depositarlos uno tras otro. En este caso, la velocidad es tan importante como la colocación precisa. La garra no debe dejar huellas ni contaminar el delicado recubrimiento. «Nuestra solución se llama PEEK», afirma el Dr. Fiedler. A partir de polieteretercetona, un material con una elevada resistencia química, Schmalz fabrica una placa de ventosa con numerosos orificios pequeños que realiza un agarre en toda la superficie. La superficie plana minimiza la presión superficial. La función de soplado activa de la STGG acelera el proceso Pick & Place, mientras que el flujo elevado evita que queden restos de partículas en los electrodos. Una generación de vacío neumática sin piezas móviles hace que la garra especial sea apta para entornos estériles y salas de secado.

La garra especial STGG también es adecuada para separar y depositar las finas láminas del separador. Por lo general, los separadores están compuestos por vellón o plástico flexible y de poros finos. Sirven para separar físicamente los ánodos y los cátodos entre sí y evitan que se produzca un cortocircuito. Al mismo tiempo son permeables para los iones de litio positivos, que durante la descarga fluyen del ánodo al cátodo y durante la carga retornan. «La STGG funciona con un flujo elevado y, de este modo, agarra también los materiales porosos de forma segura», explica el Dr. Fiedler. Además, la superficie resistente a la ESD desvía la carga electrostática de forma fiable y protege así frente a una adhesión no deseada.

Cuando la pila de celdas está lista, los conductores que sobresalen se acortan y la pila se introduce en una lámina tipo bolsa. Una vez sellada por todos sus lados, la celda tipo bolsa está lista para la inyección de electrolito. «Las celdas tipo bolsa son delicadas y la garra no debe deformarlas bajo ningún concepto. Además, su forma puede variar en función del uso», añade el Dr. Fiedler. La ventosa de diseño ligero SLG es apta para cualquier geometría. Schmalz la fabrica de forma aditiva, después de que el cliente la haya configurado online, y garantiza de este modo plazos de entrega cortos. Para que la lámina estratificada de aluminio de la celda tipo bolsa no quede embutida durante el agarre, se utilizan ventosas de la serie SFF o SFB1. Ambas variantes combinan superficies de apoyo en forma de panal en la superficie de ventosa con un labio hermetizante suave y muy plano. De este modo, pueden realizar el agarre de forma suave y, a la vez, con una elevada fuerza de aspiración, sin deformar por ello la superficie de la celda tipo bolsa.

Tan importante como el material, la geometría y el tamaño de la garra es el vacío. Cómo y dónde se genera es la clave para una manipulación muy dinámica y, al mismo tiempo, completamente segura. «Nuestros generadores de vacío descentralizados de la serie SCPM cumplen todas estas exigencias. Son compactos y, a la vez, cuentan con una aspiración potente», comenta el Dr. Fiedler. Son tan pequeños que se pueden montar cerca de la ventosa, por lo que la pérdida de potencia se reduce al mínimo. La válvula del eyector compacto se cierra cuando no recibe corriente. De este modo, la garra sujeta la celda de batería de forma segura, incluso aunque se produzca un fallo eléctrico. «Otra de sus ventajas es que el usuario puede integrar funciones especiales en el sistema, como una generación de vacío o una detección de piezas redundantes», añade el Dr. Fiedler.

El correspondiente sistema de manipulación coloca las distintas celdas en un módulo, donde se conectan en serie o en paralelo. Varios módulos conforman un paquete de baterías, que en función del fabricante y de la categoría de vehículo incluye más o menos celdas tipo bolsa.

La ventaja de las celdas tipo bolsa es que son planas, por lo que pueden disipar bien el calor. Son muy versátiles y utilizan de forma óptima el volumen disponible en un módulo de batería. Su inconveniente: el envoltorio es delicado y no protege los ánodos, cátodos y separadores frente a influencias mecánicas. Además, existe el riesgo de que se hinche, por ejemplo a consecuencia del proceso de envejecimiento. Por este motivo, en algunos vehículos eléctricos, así como en electrónica de consumo, bicicletas eléctricas y herramientas, con frecuencia se utilizan celdas cilíndricas con Hard Case. «Para manipular celdas redondas durante el montaje de módulos debemos ofrecer al usuario garras que puedan configurarse libremente en función del diámetro de cada una de las celdas, de su disposición y de cuántas deban agarrarse», explica el Dr. Maik Fiedler. «Gracias a la impresión en 3D, esto es posible ya desde el tamaño de lote». Si el usuario selecciona ventosas del material especial HT1, que casi no deja huellas, puede agarrar las celdas directamente por el polo, ya que el material actúa al mismo tiempo como aislante. De este modo también las celdas cargadas se colocan de forma segura. En este caso, además, es importante contar con un flujo elevado para obtener un proceso Pick & Place rápido y limpio. «Aquí destacan los generadores de vacío integrados. Los eyectores cuentan con una válvula de seguridad que mantiene el vacío incluso sin corriente y, de esta forma, protege el proceso de manipulación», añade el Dr. Fiedler. Si es necesario agarrar las celdas redondas longitudinalmente, Schmalz recomienda las garras magnéticas SGM en su versión de alto rendimiento. En este caso, un imán permanente protege el proceso de manipulación. «Las garras son compactas y ligeras pero, al mismo tiempo, generan una elevada fuerza de retención», añade el Dr. Fiedler sobre sus ventajas. Estas realizan el agarre siempre y cuando el envoltorio de la batería sea de material ferromagnético.

Casi lo hemos conseguido: a partir de láminas hemos creado celdas. Las celdas se agrupan en módulos, que ahora se combinan para formar paquetes de baterías y se completan con placas de refrigeración, cables y un sistema electrónico. «Aquí la flexibilidad es de vital importancia. Las geometrías de almacenamiento pueden diferenciarse del mismo modo que las estructuras de la superficie», explica el Dr. Maik Fiedler. Gracias al vacío, aunque los módulos sean pesados, la garra no puede dañarlos. El plano aspirante FQE es modular y se adapta perfectamente a las aplicaciones Pick and Place completamente automatizadas. El plano aspirante FMP también es universal. Su espuma hermetizante es adecuada también para superficies estructuradas. Ambos modelos garantizan unos costes operativos reducidos gracias a la generación de vacío energéticamente eficiente que llevan integrada.

En los pasos de trabajo que no están automatizados, los medios de elevación manuales (como el equipo de elevación por vacío JumboFlex) resultan de utilidad para los montadores. Puede tratarse de los módulos de refrigeración o de las placas de cubierta que deben colocarse manualmente sobre las carcasas de las baterías al final. La unidad de mando Safety+ ofrece seguridad adicional: este concepto de control con dos manos para soltar la carga protege las piezas especialmente delicadas al depositarlas. Además, la velocidad de descenso puede reducirse.

El paquete de baterías está ahora listo para la prueba de estanqueidad: la carcasa y el sistema de refrigeración no deben presentar fugas. El sistema de gestión de baterías contiene el software actualizado, adecuado para el tipo de vehículo, y el primer proceso de carga/descarga se realiza bajo estricta supervisión. Si los cables y el sistema electrónico se encuentran en buen estado y el sistema de gestión de baterías y el resto de subcomponentes funcionan, hemos terminado. Después de colocar las etiquetas con advertencias y las etiquetas de identificación, las baterías están listas para el transporte. «El proceso desde el polvo hasta el almacenaje de energía terminado es largo y laborioso. Sabemos cómo llevar a cabo una manipulación segura en todos los pasos de trabajo y desarrollamos soluciones personalizadas para nuestros clientes», explica el Dr. Maik Fiedler.