Más energía con el mismo peso: Fraunhofer optimiza las celdas de las baterías
La nueva arquitectura de celdas tiene como objetivo facilitar a las pymes la puesta en marcha de su propia producción de celdas de batería en Alemania
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En colaboración con socios del ámbito de la investigación y la industria, el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) ha modificado la estructura de los electrodos de las baterías, de modo que las celdas puedan almacenar entre un 10 % y un 15 % más de energía con el mismo peso. Lo han conseguido triplicando con creces el espesor del recubrimiento de los electrodos de las baterías —por ejemplo, en las baterías de iones de litio—, lo que reduce al mismo tiempo el número de colectores de corriente en la celda de la batería. El equipo de investigación ha implementado la nueva arquitectura de electrodos en celdas de iones de litio tipo «pouch» fabricadas mediante procesos estándar de la industria. Además, han aplicado con éxito el concepto a las celdas de batería de iones de zinc y de iones de sodio.
«Normalmente, el ánodo y el cátodo —los dos electrodos de una celda de batería— consisten en numerosas capas delgadas y alternas de recubrimiento de electrodos y colectores de corriente», explica el Dr. Oliver Fitz, jefe del grupo de tecnología de celdas de batería del Fraunhofer ISE. «Hemos conseguido aumentar el grosor del recubrimiento del electrodo, pasando de los 100 a 200 micrómetros habituales hasta ahora a un máximo de 800 micrómetros, lo que reduce significativamente el número de colectores de corriente necesarios. Como resultado, disponemos de mucho más espacio para el material activo, lo que aumenta la densidad energética entre un 10 % y un 15 %, dependiendo del tipo y el diseño de la batería». El equipo de investigación del Fraunhofer ISE validó inicialmente la nueva arquitectura de electrodos para baterías de iones de zinc, de iones de sodio y de iones de litio de forma experimental utilizando pequeñas celdas de batería en el laboratorio. En el caso de las baterías de iones de litio, también fabricaron prototipos de celdas tipo «pouch» con la estructura de electrodos recién desarrollada en una línea de producción semiautomatizada situada en la moderna sala limpia del Laboratorio de Materiales para Baterías y Producción de Celdas del Fraunhofer ISE. «El concepto de celda también puede adaptarse fácilmente a otras composiciones químicas», añade Oliver Fitz.
Los electrodos de las baterías no contienen PFAS y se fabrican sin utilizar disolventes tóxicos. La nueva arquitectura de la célula se desarrolló pensando en la futura producción en serie: una posible línea de producción de electrodos presenta una complejidad de proceso significativamente menor en comparación con un sistema de recubrimiento en húmedo de última generación. Como resultado, los costes de capital son considerablemente más bajos. Los costes operativos también se reducen debido a las menores necesidades de espacio y energía. Así, esta tecnología abre la posibilidad, especialmente para las pequeñas y medianas empresas, de establecer sus propias instalaciones de producción de celdas de batería en Alemania. Los resultados del proyecto demuestran un enfoque prometedor de cara a la futura industrialización de esta novedosa arquitectura de electrodos y celdas. Helmut Hechinger GmbH & Co. KG apoya al consorcio de investigación como socio industrial y aporta su experiencia en fabricación. El fabricante de maquinaria acp systems AG —también socio del proyecto— está desarrollando los equipos para la fabricación de los electrodos. «Aunque empezamos como proveedor tradicional del sector de la automoción, llevamos mucho tiempo diversificándonos hacia mercados, productos e industrias orientados al futuro», explica Markus Duffner, director general de Hechinger. «Por ejemplo, ya generamos más del 30 % de nuestros ingresos en el ámbito de la movilidad eléctrica. Si los próximos pasos en la ampliación a escala industrial y la validación ofrecen perspectivas prometedoras tanto en términos de coste como de rendimiento, podríamos explorar la industrialización. Vemos un gran potencial en Baden-Württemberg para la producción de baterías centrada en el almacenamiento estacionario».
«En un sistema energético climáticamente neutro con fuentes de energía fluctuantes, como la solar y la eólica, el almacenamiento estacionario en baterías es un componente esencial para cubrir los picos de demanda eléctrica de la mañana y la tarde», afirma el Prof. Dr. Andreas Bett, director del Fraunhofer ISE. «En California, por ejemplo, los sistemas de almacenamiento en baterías ya suministran la mayor parte de la electricidad por las tardes. Alemania haría bien en desarrollar su capacidad de fabricación para satisfacer la creciente demanda de baterías y, de este modo, generar valor dentro del país. Si podemos contribuir a ello, estaríamos muy contentos».
«Esta tecnología es el resultado de muchos años de investigación en el Fraunhofer ISE. Debemos nuestro éxito al alcanzar este hito de desarrollo, en parte, a la financiación del BMWE, el BMFTR y el Ministerio de Economía de Baden-Württemberg, así como a la colaboración basada en la confianza con nuestros socios», afirma el Dr. Ing. Daniel Biro, jefe del Departamento de Almacenamiento de Energía Eléctrica del Fraunhofer ISE.
El equipo de investigación desarrolló el nuevo diseño de electrodos y celdas en el marco de los proyectos «VORAN – Almacenamiento innovador en baterías de iones de sodio para aplicaciones fijas y móviles» (en curso hasta junio de 2027), «INFAB – Baterías de iones de zinc para el almacenamiento de energía estacionaria: fabricación y montaje» (finalizado) y «WinZIB2 – Sistema innovador de baterías de iones de zinc de implementación global» (finalizado), en colaboración con los socios acp systems AG, Helmut Hechinger GmbH & Co. KG, el Instituto de Energía Fotovoltaica (ipv) de la Universidad de Stuttgart y el Instituto Tecnológico de Karlsruhe/Instituto Helmholtz de Ulm. El Ministerio Federal de Economía y Energía (BMWE) financió la investigación de los proyectos VORAN e InFAB, mientras que el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) financió el proyecto WinZIB2.
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