El papel fundamental de la unión en la fabricación moderna de módulos
La unión adhesiva en la industria de la automoción está ganando terreno, empezando por la unión de parabrisas, diversos componentes de acabado interior y componentes eléctricos, y con un uso cada vez mayor en aplicaciones estructurales. También se utiliza ampliamente en el montaje de módulos de baterías.
La unión adhesiva, en sustitución de los elementos de fijación mecánicos, puede aportar flexibilidad en el diseño, mejorar la estabilidad mecánica y mitigar los efectos de las vibraciones y los golpes.
La unión abarca una amplia gama de aplicaciones, desde estructurales y semiestructurales hasta flexibles y sensibles a la presión, y puede utilizarse en funciones como la unión entre celdas, la protección de barras colectoras y aplicaciones de gestión térmica.
Requisitos clave de rendimiento para la unión de baterías
Las características de la adhesión dependerán de la aplicación.
Adhesivos para condiciones ambientales adversas
Tanto en aplicaciones de almacenamiento de energía en tierra como en vehículos eléctricos, los módulos de batería pueden verse expuestos a calor o frío extremos. En la industria de la automoción, las directrices de diseño establecen un rango de temperatura de entre -40 °C y 80 °C, en el que se emplean sistemas de refrigeración y calefacción para minimizar la congelación o el sobrecalentamiento.
En el caso de las aplicaciones en vehículos, las uniones estarán sometidas a vibraciones y deberán ser lo suficientemente resistentes como para evitar fallos en caso de accidente. En el caso de la unión de la tapa, también deben ser resistentes a las sales de carretera y proporcionar un sellado hermético a los componentes internos del paquete.
Unión entre células: estabilidad, soporte y seguridad
Los adhesivos utilizados en la unión entre celdas desempeñarán un papel fundamental a la hora de proporcionar estabilidad mecánica, especialmente en aplicaciones de automoción, en las que la batería estará sometida a vibraciones.
En el caso de las celdas cilíndricas, la espuma de poliuretano adhesiva puede proporcionar soporte y rigidez adicionales a las celdas individuales dentro del módulo.
En el caso del montaje de módulos prismáticos, las celdas individuales pueden unirse en una pila antes de su instalación en el módulo.
En el caso de los módulos basados en celdas tipo bolsa, es necesaria cierta compresibilidad del adhesivo para permitir la flexibilidad a medida que la celda se expande y se contrae durante el ciclo de carga y descarga.
El papel de la unión en la gestión térmica
Según el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU., las baterías de iones de litio funcionan con mayor eficiencia entre 15 °C y 30 °C; sin embargo, como se ha señalado anteriormente, los paquetes de baterías están expuestos a temperaturas extremas que superan con creces este rango.
En el caso de los módulos tipo «pouch» y prismáticos, estos suelen fijarse a una placa de refrigeración mediante adhesivos que incorporan materiales de relleno termoconductores, como el nitruro de boro, los nitruros de aluminio y materiales similares. Estos adhesivos ofrecen una alta conductividad térmica, complementada con aislamiento eléctrico, lo que protege contra los cortocircuitos entre las celdas.
En el caso de las celdas cilíndricas, se pueden enrollar cintas de refrigeración alrededor de las mismas para proporcionar refrigeración al sistema.
Resistencia, rigidez y requisitos estructurales de las uniones
En el caso de las aplicaciones estructurales, la unión adhesiva puede ayudar a reducir el número de elementos de fijación mecánicos utilizados en el envase y permite a los fabricantes optimizar sus procesos de producción. Los adhesivos utilizados en estas aplicaciones deben funcionar en condiciones adversas, con altas temperaturas, humedad y entornos corrosivos y, en el caso del sellado de tapas, deben impedir la entrada de contaminantes en el envase.
Preparación precisa de superficies: métodos láser para una mejor adhesión
Los láseres pueden ser soluciones ideales para preparar superficies para la unión adhesiva, ya que permiten tratar la superficie únicamente donde es necesario.
- Limpieza con láser de contaminantes como óxidos en aluminio o cobre, residuos de aceites de máquina, así como polvo y suciedad acumulados durante el transporte y la manipulación de los materiales.
- Ablación por láser de recubrimientos, pinturas y capas anodizadas de las piezas, lo que permite la unión directa de los materiales base de las mismas.
- Estructuración o texturización de superficies con láser
Los láseres pueden ser herramientas ideales para obtener resultados de texturización repetibles en una gran variedad de tipos de piezas. Mediante sistemas de barrido del haz, el láser puede programarse con precisión para crear microtexturas en la superficie de la pieza, lo que aumenta su superficie. Gracias a la amplia gama de adhesivos y rellenos disponibles, la textura puede adaptarse fácilmente para maximizar la humectabilidad de la pieza de trabajo.
En el caso de la fabricación de baterías, los láseres constituyen un proceso sin contacto ideal, compatible con una amplia gama de materiales, entre los que se incluyen el aluminio, el cobre, los materiales recubiertos y los polímeros. Los procesos con láser, fácilmente escalables, ofrecen una repetibilidad extrema y se integran sin dificultad en los procesos de producción automatizados.
Por qué la preparación de superficies con láser es más eficaz que los métodos tradicionales
Existen diversos procesos, entre los que se incluyen la abrasión mecánica, el tratamiento químico y el tratamiento con plasma.
- Abrasión mecánica y chorro de arena
Estas técnicas ofrecen facilidad de uso; sin embargo, a medida que los medios abrasivos o las herramientas se desgastan, los resultados pueden ser irregulares. - La limpieza y el grabado químicos
pueden resultar muy eficaces y presentan ventajas frente al láser cuando no existe una «línea de visión» que permita al láser acceder a las características internas de determinados tipos de piezas. Una desventaja de este método es, por supuesto, el impacto medioambiental y los costes derivados de la eliminación de residuos peligrosos, mientras que los láseres son respetuosos con el medio ambiente. - El tratamiento por plasma
puede resultar eficaz en áreas donde, por naturaleza, hay poca contaminación y es relativamente fácil de aplicar en equipos de proceso en línea. Al igual que los procesos con láser, también es respetuoso con el medio ambiente; sin embargo, sus capacidades para la estructuración de superficies son limitadas en comparación con la flexibilidad del láser.
Aunque la tecnología láser conlleva unos costes iniciales más elevados, permite obtener resultados precisos y repetibles sin consumibles ni productos químicos, y puede ser muy selectiva, ya que limpia, activa o texturiza únicamente las zonas que deben tratarse. La flexibilidad de la tecnología láser y la reducción de los gastos de funcionamiento ofrecen a los fabricantes un atractivo retorno de la inversión a lo largo de toda la vida útil del equipo.
Reflexiones finales: cómo fabricar mejores baterías gracias a mejores uniones
La fabricación de paquetes de baterías recurre cada vez más al uso de adhesivos en el proceso de fabricación para producir baterías capaces de soportar vibraciones, ciclos térmicos, altas temperaturas y humedad, al tiempo que ofrecen una larga vida útil al usuario final.
Los láseres son esenciales para preparar las superficies y maximizar así el rendimiento de una amplia gama de adhesivos utilizados en el proceso de fabricación. Los resultados son:
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- Mayor resistencia al cizallamiento y a la tracción
- Mayor durabilidad del producto gracias a unas uniones más resistentes.
- Una mejor adaptación de la textura de la superficie a la viscosidad del adhesivo y a las características del relleno, es decir, una mejor humectabilidad en una mayor variedad de materiales.
Dado que se trata de un proceso sin contacto, altamente repetible y fácil de integrar en líneas de producción de gran volumen, los procesos láser se están convirtiendo en el método preferido para preparar superficies destinadas a las diversas aplicaciones de unión que se utilizan en los sistemas de almacenamiento estacionarios de los vehículos eléctricos modernos.
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