Los investigadores de ORNL descubrieron que la capa de ánodo de la batería, fabricada por Navitas Systems en un proceso seco, era fuerte y flexible. Estas características hacen que la batería de iones de litio sea más segura y duradera. Fuente: Sistemas Navitas
Las baterías de iones de litio utilizadas para impulsar vehículos eléctricos son la clave para una economía de energía limpia. Pero sus electrodos generalmente se fabrican utilizando una suspensión húmeda con solventes tóxicos, un método de fabricación costoso que presenta riesgos para la salud y el medio ambiente.
Los primeros experimentos realizados en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía revelaron beneficios significativos del proceso de fabricación de baterías secas. Esto elimina el solvente mientras ofrece la esperanza de proporcionar una batería duradera, menos cargada con elementos inactivos y capaz de mantener una alta capacidad de almacenamiento de energía después de su uso. Tales mejoras podrían contribuir a una adopción más amplia de vehículos eléctricos, lo que ayudaría a reducir las emisiones de carbono y cumplir los objetivos climáticos de EE. UU.
La investigación se publica en Revista de Ingeniería Química.
El procesamiento en seco es una alternativa relativamente nueva que ahorra espacio en la fábrica, así como también tiempo, energía, eliminación de desechos y gastos de puesta en marcha. Sin embargo, hasta ahora, los científicos han tenido una comprensión limitada de cómo y por qué funciona.
ORNL y el socio de la industria Navitas Systems estudiaron cómo el proceso seco afecta la estructura de los materiales de la batería y sus propiedades electroquímicas. Las baterías generan energía cuando los iones de litio se mueven entre los electrodos llamados cátodo y ánodo. El equipo se centró en una estrategia de procesamiento de electrodos secos que consiste en mezclar polvos secos con un aglutinante y luego densificar el material para mejorar el contacto partícula a partícula. Esta estrategia se puede aplicar tanto al ánodo como al cátodo centrándose en materiales específicos o métodos de mezcla.
Después de que Navitas fabricó los electrodos, los investigadores de ORNL, dirigidos por Jianlin Li y Runming Tao, midieron su rendimiento electroquímico en diferentes condiciones durante diferentes períodos de tiempo. El equipo de ORNL pudo obtener nuevos conocimientos sobre la degradación de los electrodos procesados en seco.
Según los resultados de las pruebas, las baterías fabricadas por el proceso seco mostraron una capacidad “excelente” para mantener su capacidad después de un uso prolongado. Los investigadores encontraron que las baterías de proceso seco son “químicamente muy deseables” porque su estructura permite que los iones de litio tengan un camino más directo entre el ánodo y el cátodo. Los electrodos son más gruesos para permitir una mayor carga de energía mientras se reducen los ingredientes inactivos que aumentan de tamaño y peso.
“Hay más materiales activos en el electrodo”, dijo Tao. “E incluso después de andar en bicicleta, tendrá algunas grietas”. Estas dos ventajas reflejan una alta densidad de energía y una buena ciclicidad a largo plazo. El electrodo puede doblarse y flexionarse bien, exhibiendo una excelente resistencia mecánica y la capacidad de bobinado necesarias para la producción en masa de baterías.
El proceso seco tiene muchos beneficios para los fabricantes y la cadena de suministro de EE. UU.: es altamente compatible con los equipos de producción de electrodos de última generación y su menor impacto ambiental hace que las instalaciones de baterías sean adecuadas para más ubicaciones.
“Cuando miras fábricas gigantes, estás viendo miles de millones de dólares para ampliar las baterías”, dijo Bryan Steinhoff, director técnico e investigador principal del proyecto de Navitas. “El procesamiento en seco puede eliminar el equipo de recubrimiento y solvente que actualmente se requiere para la producción de baterías a gran escala. Si puede usar un proceso seco en su lugar, puede reducir su huella hasta en un 40 o 50%, ahorrando cientos de millones de dólares y comenzando a habilitar la infraestructura para reemplazar la infraestructura que ahora depende en gran medida de Asia”.
El próximo paso en la investigación es la estabilización del material que conecta los elementos del ánodo con un colector de corriente de metal delgado. “El objetivo principal de este proyecto es desarrollar o identificar un mejor aglutinante para el proceso seco, ya que el aglutinante actual no es muy estable en el entorno del ánodo”, dijo Li. El equipo también está trabajando para reducir el hollín, un material que mantiene la conductividad de la batería pero reduce su densidad de energía.
Los investigadores de ORNL y Navitas continúan perfeccionando el proceso para mejorar el rendimiento electroquímico. El objetivo es equilibrar las ventajas y desventajas de un electrodo más grueso: tiene el potencial de una carga de energía más alta y es fácil de rotar, pero puede proporcionar menos energía porque los iones tienen que viajar más lejos.
Más información:
Lanzamiento Tao et al., Baterías de iones de litio eficientes y de alto rendimiento a través del procesamiento en seco, Revista de Ingeniería Química (2023). DOI: 10.1016/j.cej.2023.144300