El Fraunhofer ISE logra baterías con hasta un 15% más de densidad energética sin añadir peso
El Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) ha presentado una nueva arquitectura de electrodos para baterías que permite aumentar su densidad energética entre un 10% y un 15% sin incrementar el peso de las celdas. El desarrollo, realizado junto a socios industriales, se ha validado en el laboratorio con baterías de iones de litio, sodio y zinc, y busca allanar el camino hacia una producción a gran escala más sencilla y barata.
Electrodos más gruesos, menos colectores y más material activo
La clave del avance reside en aumentar el grosor del recubrimiento de los electrodos desde los 100-200 micrómetros habituales hasta los 800 micrómetros. Esta modificación permite reducir de forma significativa el número de capas alternas de recubrimiento y colectores de corriente que componen el ánodo y el cátodo de una batería.
El espacio liberado se destina a una mayor cantidad de material activo, lo que se traduce en un aumento de la densidad energética de entre el 10% y el 15%, dependiendo de la química y el diseño de la celda. Oliver Fitz, responsable del grupo de tecnología de celdas de batería del Fraunhofer ISE, explica que "normalmente, el ánodo y el cátodo están formados por muchas capas finas y alternas de recubrimiento y colectores de corriente". Con el nuevo diseño, al incrementar el grosor hasta 800 micrómetros, se reduce considerablemente el número de colectores y se dispone de "mucho más espacio para el material activo".
Validado en litio, sodio y zinc, con prototipos tipo pouch
La nueva arquitectura ha sido validada experimentalmente en baterías de zinc-ion, sodio-ion y litio-ion. En el caso del litio, el equipo fue más allá y fabricó prototipos de celdas tipo pouch con la nueva estructura de electrodos, utilizando procesos de fabricación estándar de la industria en una línea de producción semiautomatizada instalada en la sala blanca del laboratorio de materiales y producción del Fraunhofer ISE.
El concepto no está limitado a una única química de batería. "El concepto de celda también puede adaptarse fácilmente a otras químicas de celdas", señala Fitz, lo que abre la puerta a su aplicación en diferentes tecnologías de almacenamiento. Este aspecto resulta clave para el despliegue de baterías en sectores como el almacenamiento estacionario o la movilidad eléctrica.
Fabricación sin disolventes tóxicos y con menor coste
Otro de los elementos destacados es el proceso de fabricación. Los electrodos están libres de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS) y se producen sin utilizar disolventes tóxicos. Además, la arquitectura se ha concebido desde el inicio pensando en una futura producción a gran escala.
Según el Fraunhofer ISE, una eventual línea de producción de estos electrodos tendría una complejidad de proceso significativamente inferior a la de los sistemas de recubrimiento en húmedo actuales. Esto permitiría reducir tanto los costes de inversión como los costes operativos, gracias a unas menores necesidades de espacio y energía. La combinación de mayor densidad energética con un proceso productivo potencialmente más sencillo podría facilitar la entrada de pequeñas y medianas empresas en la fabricación de celdas de baterías en Alemania.
El almacenamiento estacionario, aplicación clave para la transición
El proyecto cuenta con la participación de empresas especializadas en fabricación y maquinaria. Helmut Hechinger GmbH & Co. KG aporta su experiencia industrial, mientras que el fabricante de maquinaria acp systems AG trabaja en el desarrollo de los equipos necesarios para fabricar los nuevos electrodos. Markus Duffner, consejero delegado de Hechinger -que ya genera más del 30% de sus ingresos en movilidad eléctrica-, señala que si las próximas fases de escalado confirman el potencial de la tecnología, la compañía estudiaría su industrialización. Duffner apunta especialmente al potencial de Baden-Württemberg para desarrollar producción de baterías destinadas al almacenamiento estacionario.
Los investigadores destacan el papel de estas baterías en un sistema energético descarbonizado con alta variabilidad solar y eólica. Andreas Bett, director del Fraunhofer ISE, pone como ejemplo California, donde los sistemas de almacenamiento mediante baterías ya aportan buena parte de la electricidad durante las horas vespertinas. "En un sistema energético climáticamente neutro con fuentes fluctuantes como la solar y la eólica, el almacenamiento estacionario en baterías es un componente integral para cubrir los picos de electricidad de la mañana y la tarde", afirma Bett, quien considera que Alemania debería aumentar su capacidad de fabricación para responder al crecimiento previsto de la demanda y mantener dentro del país una mayor parte del valor económico asociado a esta industria.
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