Fraunhofer estabiliza ânodos de alumínio para baterias de íon-lítio
O Fraunhofer IPA e a Universidade de Stuttgart desenvolveram uma nova tecnologia de célula e eletrodo para ânodos de alumínio. O objetivo é tornar controláveis as mudanças de volume que antes eram problemáticas durante o carregamento e descarregamento, permitindo assim o uso do alumínio como material de ânodo em aplicações práticas de baterias.
A folha de alumínio atua como material ativo e coletor de corrente.
Imagem: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
O alumínio tem sido considerado há muito tempo um possível substituto para grafite ou silício em baterias de íon de lítio. O material é relativamente barato, amplamente disponível e oferece altas capacidades. No entanto, na prática, essa abordagem falhou até agora devido à tensão mecânica no eletrodo: durante o carregamento e descarregamento, o alumínio sofre mudanças de volume que podem causar rachaduras, poros e, por fim, a pulverização do material do eletrodo. O resultado é perda de capacidade e vida útil limitada.
O Instituto Fraunhofer de Engenharia de Manufatura e Automação IPA, juntamente com o Instituto de Fotovoltaica da Universidade de Stuttgart, desenvolveu e patenteou uma tecnologia de célula e eletrodo que combate esses processos de envelhecimento. Segundo os pesquisadores, essa abordagem estabiliza os materiais durante a operação e mantém o contato elétrico no eletrodo ao longo de vários ciclos de carga e descarga.
“Estamos criando uma tecnologia de bateria que já é conhecida há muito tempo, mas que era difícil de controlar para torná-la praticamente útil”, disse Kai Peter Birke, Diretor Científico para Sistemas e Armazenamento de Baterias e Hidrogênio no Fraunhofer IPA, em um comunicado à imprensa em alemão.
A abordagem elimina completamente o grafite e o silício do ânodo. Isso não só reduziria a demanda por grafite, considerado um material bruto essencial para a indústria de baterias europeia, como também eliminaria os problemas associados a mudanças significativas de volume em ânodos altamente baseados em silício. Outra diferença está na estrutura do eletrodo. O material de partida é uma folha de alumínio ligado disponível comercialmente, que funciona tanto como material ativo quanto como coletor de corrente. Isso elimina a necessidade da folha de cobre normalmente utilizada em ânodos convencionais.
A folha de alumínio atua como material ativo e coletor de corrente
Um processo de revestimento separado, utilizado para aplicar o material ativo no coletor de corrente, também é eliminado. Espera‑se que isso reduza tanto os custos do processo quanto o consumo de energia durante a fabricação dos eletrodos. Os pesquisadores citam o óxido de manganês de lítio (LMO) como um possível cátodo. Em combinação com o ânodo de alumínio, pode‑se alcançar uma densidade energética competitiva. Ao mesmo tempo, a química da célula ficaria livre de fosfatos, podendo assim representar uma alternativa econômica às células de fosfato de ferro e lítio.
O ânodo de alumínio também poderia ser combinado com solventes eletrolíticos com alto ponto de fulgor. Juntamente com um cátodo LMO livre de flúor, a Fraunhofer afirma que seria possível até mesmo uma estrutura celular completamente livre de flúor e, portanto, de PFAS. Isso também evitaria o risco de formação de fluoreto de hidrogênio em caso de incêndio da bateria.
A Fraunhofer vê aplicações iniciais principalmente em áreas onde segurança, robustez e espaço de instalação compacto são particularmente importantes. Entre elas estão, entre outras, aplicações em frete aéreo, sistemas de rastreamento para contêineres de transporte e dispositivos médicos especializados.
Para uso industrial futuro, é relevante que a química das células possa ser produzida em instalações de fabricação existentes. De acordo com o instituto, portanto, não seria necessário uma reconstrução completa da infraestrutura de produção. Vários protótipos já foram desenvolvidos e estão atualmente sendo testados no Centro de Produção Digitalizada de Células de Bateria da Fraunhofer IPA. O instituto ainda não forneceu detalhes sobre números específicos de ciclos, densidade energética gravimétrica ou volumétrica em seu comunicado atual.
Paralelamente, a Fraunhofer está desenvolvendo novas abordagens para melhorar as células de bateria nos níveis de material e arquitetura. Em setembro, a Fraunhofer ISE apresentou uma arquitetura de célula com eletrodos significativamente mais espessos. Ao reduzir a proporção de coletores de corrente, é possível aumentar a densidade energética em 10 a 15 por cento, dependendo do tipo e do design da bateria. Essa abordagem ainda está em fase de pesquisa e precisa primeiro comprovar sua escalabilidade industrial.