Fraunhofer estabiliza los ánodos de aluminio para baterías de iones de litio
El Fraunhofer IPA y la Universidad de Stuttgart han desarrollado una nueva tecnología de celdas y electrodos para ánodos de aluminio. Su objetivo es hacer manejables los cambios de volumen que antes eran problemáticos durante la carga y descarga, permitiendo así el uso del aluminio como material de ánodo en aplicaciones prácticas de baterías.
La lámina de aluminio funciona como material activo y colector de corriente.
Imagen: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Hace tiempo que el aluminio se considera un posible sustituto del grafito o el silicio en las baterías de iones de litio. Este material es relativamente económico, está ampliamente disponible y ofrece altas capacidades. Sin embargo, en la práctica, este enfoque ha fracasado hasta ahora debido a la tensión mecánica sobre el electrodo: durante la carga y descarga, el aluminio experimenta cambios de volumen que pueden provocar grietas, poros y, finalmente, la pulverización del material del electrodo. El resultado es una pérdida de capacidad y una vida útil limitada.
El Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Manufactura y Automatización IPA, junto con el Instituto de Fotovoltaica de la Universidad de Stuttgart, ha desarrollado y patentado ahora una tecnología de celdas y electrodos que aborda estos procesos de envejecimiento. Según los investigadores, este enfoque estabiliza los materiales durante su funcionamiento y mantiene el contacto eléctrico en el electrodo a lo largo de numerosos ciclos de carga y descarga.
“Estamos creando una tecnología de baterías que ya se conoce desde hace tiempo, pero que ha sido difícil de controlar para hacerla prácticamente utilizable”, dijo Kai Peter Birke, director científico de Sistemas y Almacenamiento de Baterías e Hidrógeno en Fraunhofer IPA, en un comunicado de prensa en alemán.
Este enfoque elimina por completo el grafito y el silicio del ánodo. Esto no solo podría reducir la demanda de grafito, considerado un material crítico para la industria europea de baterías, sino que también eliminaría los problemas asociados a los cambios significativos en el volumen de los ánodos altamente basados en silicio. Otra diferencia radica en la estructura del electrodo: el material de partida es una lámina de aluminio aleado disponible comercialmente, que funciona tanto como material activo como colector de corriente. Esto elimina la necesidad de la lámina de cobre que se utiliza habitualmente en los ánodos convencionales.
La lámina de aluminio funciona como material activo y colector de corriente
También se elimina un proceso de recubrimiento separado que se utilizaba para aplicar el material activo al colector de corriente. Se espera que esto reduzca tanto los costos del proceso como el consumo de energía durante la fabricación de electrodos. Los investigadores mencionan al óxido de manganeso y litio (LMO) como un posible cátodo. En combinación con el ánodo de aluminio, se podría lograr una densidad energética competitiva. Al mismo tiempo, la química de la celda estaría libre de fosfatos y podría representar así una alternativa económica a las celdas de fosfato de hierro y litio.
El ánodo de aluminio también podría combinarse con solventes electrolíticos con un alto punto de ebullición. Junto con un cátodo LMO libre de flúor, Fraunhofer afirma que incluso sería posible una estructura de celda completamente libre de flúor y, por lo tanto, de PFAS. Esto también evitaría el riesgo de formación de fluoruro de hidrógeno en caso de incendio de la batería.
Fraunhofer considera que las aplicaciones iniciales se encuentran principalmente en áreas donde la seguridad, la robustez y un espacio de instalación compacto son particularmente importantes. Entre estas se incluyen, entre otras cosas, aplicaciones en el transporte aéreo de mercancías, sistemas de seguimiento para contenedores de transporte y dispositivos médicos especializados.
Para un uso industrial posterior, es relevante que la química de las celdas pueda producirse en las instalaciones de fabricación existentes. Según el instituto, por lo tanto no sería necesario reconstruir completamente la infraestructura de producción. Ya se han fabricado varios prototipos que actualmente se están probando en el Centro de Producción Digitalizada de Celdas de Batería del Fraunhofer IPA. En su comunicado actual, el instituto aún no ha proporcionado detalles sobre números específicos de ciclos ni sobre la densidad energética gravimétrica o volumétrica.
Al mismo tiempo, Fraunhofer está trabajando en otros enfoques para mejorar las celdas de batería a nivel de materiales y arquitectura. En septiembre, Fraunhofer ISE presentó una arquitectura de celda con electrodos significativamente más gruesos. Al reducir la proporción de colectores de corriente, se podría aumentar la densidad energética entre un 10 y un 15 por ciento, dependiendo del tipo y diseño de la batería. Este enfoque aún se encuentra en fase de investigación y primero debe demostrar su escalabilidad industrial.