A Fraunhofer estabiliza ânodos de alumínio para baterias de íons de lítio
O Fraunhofer IPA e a Universidade de Stuttgart desenvolveram uma nova tecnologia de células e eletrodos para ânodos de alumínio. Ela tem como objetivo controlar as alterações de volume que até agora eram problemáticas durante o carregamento e descarregamento, tornando assim o alumínio viável como material de ânodo para aplicações práticas em baterias.
A folha de alumínio atua como material ativo e condutor elétrico.
Imagem: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
O alumínio é considerado há tempos como um possível substituto para grafite ou silício em baterias de íons de lítio. O material é relativamente barato, amplamente disponível e permite altas capacidades. Na prática, porém, essa abordagem fracassou até agora devido à carga mecânica sobre a eletróda: durante o carregamento e descarregamento, o alumínio altera seu volume, o que pode causar rachaduras, poros e, eventualmente, a pulverização do material da eletróda. A consequência são perdas de capacidade e uma vida útil limitada.
O Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Produção e Automação IPA desenvolveu, em parceria com o Instituto de Fotovoltaica da Universidade de Stuttgart, uma tecnologia para células e eletródos que foi patenteada e visa resolver esses processos de envelhecimento. Segundo os pesquisadores, essa abordagem estabiliza os materiais durante o funcionamento e mantém o contato elétrico dentro da eletróde por vários ciclos de carregamento e descarregamento.
“Tornamos praticamente utilizável uma tecnologia de baterias conhecida há muito tempo, mas até agora difícil de controlar”, afirma Kai Peter Birke, diretor científico para sistemas e armazenamento de baterias e hidrogênio no Fraunhofer IPA.
Esse método elimina completamente o grafite e o silício na ânodo. Dessa forma, não só é possível reduzir a demanda por grafite, considerado um material crítico para a indústria de baterias europeia, mas também desaparecem os problemas causados por grandes variações de volume que ocorrem em ânodos ricos em silício. Outra diferença está na estrutura da eletróda: como material de partida é utilizada uma folha de alumínio ligado comum, que funciona simultaneamente como material ativo e condutor de eletricidade. Isso permite dispensar a folha de cobre, usual em ânodos convencionais.
Folha de alumínio atua como material ativo e condutor de eletricidade
Também é eliminado um processo de revestimento separado, no qual o material ativo é aplicado sobre o condutor elétrico. Isso tem como objetivo reduzir tanto os custos do processo quanto o consumo de energia na fabricação das eletródas. Os pesquisadores citam o óxido de lítio-manganês, abreviado como LMO, como possível cátodo. Em combinação com a anoda de alumínio, espera-se alcançar uma densidade energética competitiva. Além disso, a química da célula seria livre de fosfatos, podendo assim representar uma alternativa econômica às células de lítio-fosfato de ferro.
A anoda de alumínio também poderia ser combinada com solventes eletrolíticos com alto ponto de ignição. Juntamente com uma cátodo LMO livre de flúor, segundo a Fraunhofer, seria possível até mesmo criar uma estrutura celular completamente livre de flúor e, portanto, de PFAS. Isso permitiria evitar o risco de formação de hidrogênio flúorido em caso de incêndio da bateria.
O Fraunhofer prevê aplicações iniciais principalmente em áreas onde segurança, robustez e espaço de montagem compacto são particularmente importantes. São citadas, entre outras, aplicações em carga aérea, sistemas de rastreamento para contêineres de transporte e equipamentos médicos especializados.
Para um uso industrial futuro, é relevante que a química de células possa ser produzida em instalações de produção existentes. Segundo o instituto, isso tornaria desnecessária a reconstrução total da infraestrutura de fabricação. Vários protótipos já foram desenvolvidos e estão atualmente sendo testados no Centro de Produção Digitalizada de Células de Bateria do Fraunhofer IPA. O instituto ainda não informa, na nota atual, números específicos de ciclos ou densidades energéticas gravimétricas ou volumétricas.
Paralelamente, o Fraunhofer trabalha em outras abordagens para aprimorar as células de bateria no nível do material e da arquitetura. Em setembro, o Fraunhofer ISE apresentou uma arquitetura de célula com eletrodos significativamente mais espessos. Devido à menor proporção de condutores de eletricidade, espera-se que a densidade energética aumente entre 10% e 15%, dependendo do tipo de bateria e de seu design. Também essa abordagem ainda está em fase de pesquisa e precisa comprovar sua escalabilidade industrial.