Tejer los electrodos secundarios de la pila con fibras y atarlos como cuerdas para aumentar su durabilidad y rendimiento
Un equipo de investigación conjunto dirigido por el Dr. Gyujin Song, del Instituto Coreano de Investigación Energética (Presidente: Yi, Chang-Keun, en adelante "KIER"), el Dr. Kwon-Hyung Lee, de la Universidad de Cambridge, y el profesor Tae-Hee Kim, de la Universidad de Ulsan, ha desarrollado con éxito una nueva tecnología de fabricación en seco de electrodos de pilas secundarias que supera las limitaciones de los procesos convencionales de fabricación de electrodos.
Células de tipo bolsa fabricadas con la tecnología desarrollada (desde arriba, célula con ánodo de litio metálico, célula con ánodo de grafito)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
La tecnología desarrollada por el equipo de investigación es un proceso de fabricación en seco que forma una estructura de doble fibra dentro del electrodo, creando simultáneamente fibras finas "en forma de hilo" y gruesas "en forma de cuerda". Esta arquitectura de doble fibra (dual-fibrous) permite a la tecnología resolver al mismo tiempo los problemas de baja resistencia a la mezcla y degradación del rendimiento de los procesos secos convencionales.
Los métodos de fabricación de electrodos para pilas secundarias se dividen a grandes rasgos en procesos húmedos y secos, dependiendo de si se utiliza o no un disolvente. En el proceso húmedo, se utiliza un aglutinante disuelto en un disolvente como adhesivo, lo que garantiza una mezcla uniforme de los materiales del electrodo. Debido a la gran fiabilidad del proceso y a las ventajas que ofrece para asegurar el rendimiento, el proceso húmedo es actualmente el método predominante para la fabricación de electrodos.
Aglutinante: material polimérico utilizado en la fabricación de electrodos de baterías secundarias que mantiene unidos componentes como el material activo (que almacena energía eléctrica) y el aditivo conductor (que transporta la corriente eléctrica), de modo que el electrodo puede mantener establemente su forma.
Sin embargo, depende de disolventes orgánicos tóxicos, lo que crea una pesada carga medioambiental, y el tiempo necesario para el secado y la recuperación del disolvente es largo, lo que conlleva elevados costes de producción. Por ello, en los últimos tiempos ha crecido el interés por desarrollar tecnologías de proceso en seco que no utilicen disolventes.
El proceso en seco no utiliza disolventes, lo que permite un procesamiento más rápido y ayuda a reducir la contaminación ambiental y el consumo de energía. Sin embargo, al no haber disolvente que disuelva el aglutinante, sólo puede utilizarse una gama limitada de materiales aglutinantes, como el politetrafluoroetileno (PTFE), que se estira en estructuras similares a fibras y mantiene físicamente unidas las partículas.
PTFE (politetrafluoroetileno): un material con una excelente resistencia al calor y a los productos químicos, muy conocido en la vida cotidiana como Teflon (una marca de DuPont, EE.UU.) que se utiliza para revestimientos de sartenes.
Como resultado, en los procesos convencionales en seco ha sido difícil mezclar uniformemente los materiales de los electrodos, y la baja cohesión de la mezcla ha hecho que persista la preocupación de que se degraden el rendimiento y la durabilidad de las baterías acabadas.
Para superar las limitaciones estructurales del proceso en seco, los investigadores no cambiaron el material del aglutinante de PTFE convencional, sino que controlaron la estructura física del mismo material para crear un aglutinante de PTFE con una estructura de "doble fibra".
El equipo de investigación diseñó un original proceso de varios pasos que divide la adición de aglutinante de un solo paso en dos etapas. En primer lugar, añaden una pequeña cantidad de aglutinante y llevan a cabo un paso de mezclado primario, formando una fina red fibrosa "en forma de hilo" que conecta densamente el material activo y el aditivo conductor. A continuación, en un paso de mezclado secundario, añaden el aglutinante restante para que, mientras se mantiene la red fibrosa existente, se forme una estructura adicional de fibras gruesas y robustas "en forma de cuerda".
La fina red fibrosa "en forma de hilo" resultante dispersa uniformemente los materiales constituyentes, como el material activo y el aditivo conductor, lo que hace que las reacciones sean más uniformes y mejora el rendimiento de la batería. Además, las gruesas fibras en forma de "cuerda" unen firmemente todo el electrodo, aumentando significativamente su resistencia y estabilidad mecánica y mejorando la durabilidad necesaria para los procesos de producción en serie.
Por otra parte, el análisis mediante cartografía electroquímica de reacción-resistencia demostró que todas las regiones del electrodo presentan una cinética de reacción y unas características de resistencia rápidas y uniformes. Se trata de un factor clave para minimizar la pérdida de energía durante el funcionamiento de la pila, evitar la degradación del rendimiento en zonas específicas y prolongar así la vida útil global de la pila.
En las evaluaciones de rendimiento, el electrodo seco desarrollado por el equipo de investigación alcanzó una elevada capacidad areal de 10,1 mAh/cm². Una pila de ánodo metálico de litio de tipo bolsa con este electrodo alcanzó una densidad energética de 349 Wh/kg, aproximadamente un 40% más que los electrodos comerciales, que rondan los 250 Wh/kg. Además, una pila de bolsa que utilizaba un ánodo de grafito alcanzó una densidad energética de 291 Wh/kg, mostrando un valor aproximadamente un 20% superior al de una pila de proceso húmedo en las mismas condiciones.
El Dr. Gyujin Song, que dirigió la investigación, declaró: "Este estudio es muy significativo porque hemos establecido una tecnología de proceso original capaz de resolver simultáneamente los dos retos fundamentales de los electrodos secos: la uniformidad electroquímica y la durabilidad mecánica. Esperamos que no sólo mejore la competitividad de costes de la industria de baterías secundarias, sino que también sea aplicable a vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía (ESS), que requieren una alta densidad energética."
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Publicación original
Kwon-Hyung Lee, Hyeongseok Shim, Sang Hyun Lee, Hyeong-Jong Kim, Chanhyun Park, Jingyu Choi, Seok-Ju Lee, Young-Kuk Hong, Jihong Lyu, Jin Chul Kim, Sijeong Park, Hyungyeon Cha, Wooyoung Jin, Jinsoo Kim, Sinho Choi, Sang-Young Lee, Sung-Kyun Jung, Michael De Volder, Tae-Hee Kim, Gyujin Song; "Dual-fibrous PTFE structure enabling uniform and thick dry electrodes for high-energy-density and long-lasting batteries"; Energy & Environmental Science, Volume 18, 2025
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