Aluminio en lugar de grafito: el Fraunhofer IPA resuelve un problema fundamental de la investigación sobre ánodos
La célula de batería sin PFAS se puede fabricar a escala industrial
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El aluminio se considera desde hace tiempo un material prometedor para los ánodos de las baterías de iones de litio, pero las pérdidas de capacidad y la degradación estructural del material han impedido hasta ahora su uso industrial. El Fraunhofer IPA ha logrado ahora un gran avance tecnológico: una tecnología patentada estabiliza el ánodo de aluminio durante ciclos repetidos de carga y descarga. De este modo, se hace viable una tecnología que combina altas densidades energéticas con una arquitectura de célula sostenible, segura, económica y robusta.
Gran potencial, limitado hasta ahora por los daños en el material
El aluminio se considera desde hace tiempo un material prometedor para los ánodos de las baterías de iones de litio. Es fácil de obtener, económico y permite alcanzar altas capacidades. Sin embargo, el estado actual de la técnica presentaba un reto importante: durante la carga y la descarga, el aluminio cambia de volumen. Esto genera tensiones mecánicas que provocan grietas, la formación de poros y, en última instancia, la pulverización del material del electrodo. La consecuencia es una disminución de la capacidad y una vida útil limitada de la célula. Hasta ahora, estos daños en el material han impedido el uso industrial de los ánodos de aluminio.
Las innovaciones patentadas estabilizan el ánodo de aluminio
El Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción y Automatización (IPA), en colaboración con el Instituto de Energía Fotovoltaica de la Universidad de Stuttgart, ha desarrollado y patentado una tecnología de celdas y electrodos que evita precisamente estos procesos de envejecimiento y, con ello, resuelve el problema principal. Las innovaciones estabilizan los materiales durante el funcionamiento y mantienen el contacto eléctrico dentro del electrodo a lo largo de numerosos ciclos de carga y descarga.
«Hacemos que una tecnología de baterías conocida desde hace tiempo, pero hasta ahora difícil de controlar, sea viable en la práctica», afirma el profesor Kai Peter Birke, director científico de sistemas y almacenamiento de baterías e hidrógeno en el Fraunhofer IPA. «Nuestro enfoque combina altas densidades energéticas con una química de celdas sencilla, robusta y diseñada pensando en la seguridad». Esta tecnología prescinde del grafito o del silicio en el ánodo. De este modo, se eliminan los retos típicos de los ánodos convencionales de alta energía con un elevado contenido de silicio, relacionados con los fuertes cambios de volumen y los daños en los materiales que estos provocan durante los procesos de carga y descarga. Además, se puede prescindir del grafito, tan utilizado en el ánodo, lo que se considera un gran riesgo de suministro para la industria europea de las baterías.
El material de partida del ánodo de aluminio es una lámina de aluminio aleado, económica y disponible en el mercado, que desempeña al mismo tiempo la función de conductor de corriente y de material activo. De este modo, se puede prescindir por completo del cobre como lámina de soporte. Además, se elimina el laborioso proceso de recubrimiento, que es el que hace que el material activo sea utilizable como electrodo. Esto reduce considerablemente, además de los costes de proceso, el consumo de energía en la fabricación de electrodos.
Cátodo de óxido de litio y manganeso como alternativa al cátodo de fosfato de hierro y litio
Como concepto de célula, este ánodo de aluminio se puede combinar de forma excelente con un cátodo de óxido de litio y manganeso (LMO) económico y sin flúor. Esto permite una densidad energética competitiva en las celdas de batería basadas en LMO y ofrece una alternativa sin fosfato y económica a la celda de fosfato de hierro y litio, ampliamente utilizada.
Además, este ánodo de aluminio puede utilizarse con disolventes electrolíticos alternativos de alto punto de inflamación, lo que permite un funcionamiento seguro a temperaturas elevadas. Esta combinación de un electrolito alternativo sin flúor y un cátodo de LMO sin flúor permitiría una estructura de célula completamente libre de flúor y, por lo tanto, también de PFAS. De este modo, se eliminaría por completo el riesgo de que se escape fluoruro de hidrógeno, altamente tóxico, de una batería de iones de litio.
Dado que ahora es posible controlar la estabilidad de los materiales, se abren nuevas posibilidades de aplicación para el ánodo de aluminio. Esta química de célula segura y robusta permite su uso en el transporte aéreo de mercancías, por ejemplo, para el seguimiento de contenedores de transporte, o en dispositivos médicos especializados. Estas aplicaciones requieren sistemas de almacenamiento de energía que sean compactos, fiables y seguros de utilizar.
Posibilidad de producción en instalaciones existentes
Otra ventaja: la química de la célula está diseñada para su fabricación en instalaciones de producción ya existentes. De este modo, puede integrarse en los procesos industriales actuales sin necesidad de construir infraestructuras de fabricación completamente nuevas. Los científicos del equipo del profesor Birke han construido varios prototipos de su batería de nuevo desarrollo y actualmente los están probando en los laboratorios del Centro para la Producción Digitalizada de Células de Batería (ZDB) del Fraunhofer IPA.
«Nuestro objetivo es una tecnología de baterías que combine una alta densidad energética, un funcionamiento robusto de las celdas y una fabricación rentable», afirma Kathrin Schad, del equipo de investigación de tecnologías de baterías del Fraunhofer IPA. «El avance en la estabilidad de los materiales convierte a las baterías con ánodos de aluminio en una opción realista para la próxima generación de sistemas de almacenamiento de energía de alto rendimiento».
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