Nuevos materiales para baterías a medida
Materiales innovadores para almacenar energía de forma segura y sostenible
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Las baterías deben ser potentes, seguras y sostenibles y, al mismo tiempo, su producción debe ser rentable. En la InterBattery 2026 de Seúl, el Instituto Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros IAP presentará nuevos materiales para la próxima generación de baterías. La atención se centrará en electrolitos poliméricos hechos a medida, membranas y separadores, materiales de carbono de base biológica y catalizadores de alto rendimiento, desarrollados para aplicaciones industriales a lo largo de toda la cadena de valor.
Los materiales determinan el rendimiento y la seguridad
Ya sea en vehículos eléctricos, sistemas estacionarios de almacenamiento de energía o electrónica portátil, la densidad energética, la capacidad de carga rápida, la vida útil y la seguridad de una batería vienen determinadas en gran medida por sus materiales. Los investigadores del Fraunhofer IAP, en el Parque Científico de Potsdam, están desarrollando nuevos materiales para baterías hechos a medida y poniendo en común sus conocimientos sobre química de polímeros, procesamiento de membranas y separadores, desarrollo de materiales de base biológica y de carbono hechos a medida, producción de catalizadores y escalado. "El objetivo es crear una plataforma integrada de materiales, desde la síntesis y el escalado hasta la producción y caracterización de prototipos. Apoyamos a las empresas desde la idea inicial hasta la transición a escalas mayores", afirma el Dr. Benjamin Heyne, director del departamento de Materiales Energéticos del Fraunhofer IAP.
Electrolitos sólidos como alternativa
Las baterías convencionales se basan principalmente en electrolitos líquidos, que plantean riesgos de seguridad si se dañan y tienen un rango de temperatura limitado. Por ello, el Fraunhofer IAP está desarrollando electrolitos poliméricos sólidos. Éstos permiten un transporte eficaz de iones, son mecánicamente estables, no volátiles y ofrecen propiedades térmicas mejoradas. Algunos de los sistemas desarrollados ya alcanzan elevadas conductividades iónicas de >10-4 S/cm a temperatura ambiente. Las propiedades mecánicas, térmicas y electroquímicas pueden ajustarse con precisión mediante modificaciones moleculares específicas. Los materiales son compatibles con diversos sistemas de baterías, como las de iones de sodio, zinc-aire y litio. Además de electrolitos poliméricos puros, también se están creando electrolitos compuestos de polímeros que combinan componentes orgánicos e inorgánicos. Esto permite optimizar aún más la conductividad, la estabilidad y la seguridad. También se están desarrollando cátodos compuestos de polímeros. Se trata de combinar un material catódico, como el fosfato sódico de vanadio (NVP), con la matriz polimérica. Como se utiliza la misma matriz polimérica que en el electrolito polimérico, pueden evitarse las resistencias de interfaz entre el cátodo y el electrolito polimérico sólido. Ambas capas se adhieren mejor y, en el caso ideal, pueden incluso unirse covalentemente entre sí.
Membranas y separadores sin PFAS
Las membranas y los separadores desempeñan un papel clave en la seguridad y la funcionalidad de las baterías. Separan los electrodos entre sí y permiten el transporte selectivo de iones. Fraunhofer IAP desarrolla separadores química y mecánicamente estables con una arquitectura de poros específicamente ajustable. El tamaño de los poros y la porosidad pueden adaptarse a requisitos específicos. Se presta especial atención a las soluciones sin PFAS, ya que estas sustancias poco degradables son cada vez más criticadas. Los materiales sin PFAS facilitarán la aprobación de nuevos sistemas de baterías en el futuro. No sólo son más respetuosos con el medio ambiente, sino también más potentes y duraderos. "Nuestros materiales pueden integrarse en los procesos de producción existentes y, al mismo tiempo, contribuyen a una mayor estabilidad y ciclabilidad de las pilas", explica el Dr. Murat Tutus, jefe del departamento de Membranas y Separadores del Fraunhofer IAP.
Materiales de carbono de origen biológico y catalizadores sin elementos críticos
El Fraunhofer IAP desarrolla materiales de carbono de origen biológico para electrodos basados en materias primas renovables como la celulosa y la lignina. Además de ventajas económicas y ecológicas, también ofrecen un amplio abanico de posibilidades para la formación de estructuras. Durante la producción de precursores y la carbonización, se pueden ajustar específicamente propiedades como la estructura de los poros, la superficie específica, la conductividad eléctrica y térmica, la pureza química y la funcionalización. Esto permite optimizar las estructuras de los electrodos, integrar nuevas funciones y sustituir parcialmente las materias primas fósiles.
En el campo de los catalizadores, el objetivo es reducir significativamente el uso de elementos críticos al tiempo que se garantiza una elevada actividad catalítica y estabilidad a largo plazo. El tamaño de las partículas, la química de la superficie y las propiedades estructurales se controlan con precisión para permitir procesos industriales reproducibles. "La clave es que podemos ajustar con precisión la estructura y la superficie. Esto da lugar a materiales con propiedades definidas que son escalables y pueden integrarse de forma fiable en los procesos de fabricación industrial", afirma el Dr. Christoph Gimmler, director del departamento de Energía a Nanoescala y Materiales Estructurales del Fraunhofer IAP.
Del desarrollo a la aplicación
Los materiales se encuentran actualmente en una fase avanzada de desarrollo. Se dispone de muestras funcionales a escala de laboratorio y se están realizando pruebas iniciales en celdas de batería completas. Las actividades también están ancladas en el Grupo de Trabajo sobre Desarrollo de Materiales para Almacenamiento de Energía y Aplicaciones (AK-MEA). La transferencia a mayores escalas de producción se está llevando a cabo en estrecha colaboración con socios de la industria. En InterBattery, el instituto busca específicamente la colaboración de socios internacionales para el desarrollo conjunto de catalizadores innovadores de alto rendimiento, materiales conductores de iones y sistemas de membranas para aplicaciones de baterías e hidrógeno. Con sus desarrollos, Fraunhofer IAP contribuye a que las baterías sean más seguras, más duraderas y más sostenibles, y a que los clientes logren una comercialización más rápida.
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