Fraunhofer estabiliza las 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. Esta tecnología tiene como objetivo controlar los cambios de volumen que hasta ahora eran problemáticos durante la carga y descarga, permitiendo así utilizar el aluminio como material de ánodo en aplicaciones prácticas de baterías.
La lámina de aluminio funciona como material activo y conductor eléctrico.
Foto: 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 permite alcanzar altas capacidades. Sin embargo, en la práctica este enfoque ha fracasado hasta ahora debido a la carga mecánica sobre la electrodo: durante la carga y descarga, el aluminio cambia de volumen, lo que puede provocar grietas, poros y, finalmente, la pulverización del material del electrodo. La consecuencia son pérdidas de capacidad y una vida útil limitada.
El Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción y Automatización IPA ha desarrollado y patentado junto con el Instituto de Fotovoltáica de la Universidad de Stuttgart una tecnología para 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 dentro de la electrodos 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 prácticamente utilizable”, dice Kai Peter Birke, director científico de sistemas y almacenamiento de baterías e hidrógeno en el Fraunhofer IPA.
Este enfoque prescinde por completo del grafito y el silicio en la anoda. De esta manera, no solo se podría reducir la demanda de grafito, considerado un material crítico para la industria europea de baterías, sino que también desaparecerían los problemas que surgen en las anodas con alto contenido de silicio debido a los marcados cambios de volumen. Otra diferencia radica en la estructura de la electrodo: como material base se utiliza una lámina de aluminio aleado comercialmente disponible, que funciona simultáneamente como material activo y conductor eléctrico. Gracias a esto, se puede prescindir de la lámina de cobre habitual en las anodas convencionales.
La lámina de aluminio sirve como material activo y conductor eléctrico
También desaparece un proceso de recubrimiento separado mediante el cual se aplica el material activo sobre el conductor eléctrico. Esto tiene como objetivo reducir tanto los costos del proceso como el consumo energético en la fabricación de las electrodos. Los investigadores mencionan al óxido de litio-manganeso, abreviado como LMO, como posible cátodo. En combinación con la anoda de aluminio, se espera 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 litio-ferro-fosfato.
Además, se cree que la anoda de aluminio puede combinarse con disolventes electrolíticos de alto punto de ebullición. Según Fraunhofer, junto con una cátodo LMO libre de flúor, sería incluso posible crear una estructura celular completamente libre de flúor y, por lo tanto, de PFAS. De esta manera también se podría evitar el riesgo de formación de hidrógeno fluorado en caso de incendio de la batería.
Fraunhofer prevé las primeras aplicaciones principalmente en aquellos ámbitos donde la seguridad, la robustez y un espacio de construcción compacto son especialmente importantes. Se mencionan, entre otras, aplicaciones en el transporte aéreo de mercancías, sistemas de seguimiento para contenedores de transporte y dispositivos médicos especializados.
Para un uso industrial futuro, es relevante que la química de celdas pueda producirse en las instalaciones de fabricación existentes. Según el instituto, esto haría innecesaria una reconstrucción total de la infraestructura de producción. Ya se han desarrollado varios prototipos que actualmente se prueban en el Centro para la Producción Digitalizada de Celdas de Batería del Fraunhofer IPA. En el comunicado actual, el instituto aún no proporciona datos sobre números específicos de ciclos ni sobre la densidad energética gravimétrica o volumétrica.
Al mismo tiempo, Fraunhofer trabaja en otros enfoques para mejorar las celdas de batería a nivel de material y arquitectura. Recién en septiembre, Fraunhofer ISE presentó una arquitectura de celda con electrodos significativamente más gruesos. Gracias a la menor proporción de conductores eléctricos, se espera que la densidad energética aumente entre un 10 y un 15 por ciento, dependiendo del tipo de batería y su diseño. Este enfoque también se encuentra aún en fase de investigación y debe demostrar primero su escalabilidad industrial.