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Las baterías de litio-azufre representan una alternativa prometedora a los sistemas convencionales de iones de litio.
Para superar los actuales obstáculos tecnológicos de esta química de celdas, el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos IWS y sus socios están investigando una nueva arquitectura de celdas que reduce el contenido de electrolito y adapta la química de estado sólido.
Su objetivo es desarrollar conceptos prácticos de células que combinen una alta densidad energética con una vida útil mejorada y una mayor seguridad. Dos proyectos de investigación -AnSiLiS, financiado por el Ministerio Federal Alemán de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR), y TALISSMAN, financiado por el programa Horizonte Europa de la UE- constituyen el marco estructural de este trabajo. El objetivo del proyecto es desarrollar una pila de litio-azufre de estado sólido que proporcione una energía comparable y pese bastante menos que las baterías actuales.
Las pilas de litio-azufre convencionales presentan ciclos de vida limitados porque sus electrolitos líquidos favorecen la formación de polisulfuros solubles. Estos subproductos provocan pérdidas de material y una degradación acelerada de la estabilidad del ciclo.
Los investigadores del Fraunhofer IWS están buscando un enfoque alternativo: la conversión directa del azufre en sulfuro de litio sólido en un entorno predominantemente de estado sólido, totalmente libre de electrolito líquido. Los primeros resultados de laboratorio sugieren que, en el futuro, esta arquitectura puede alcanzar técnicamente una energía específica de más de 600 vatios-hora por kilogramo con un comportamiento cíclico estable.
El proyecto AnSiLiS se centra en el desarrollo de un cátodo compuesto de azufre y carbono. Éste se examinará en combinación con un ánodo fino de litio-metal y un sistema de electrolito híbrido en cantidad mínima. La Universidad Técnica de Dresde y la Universidad de Jena estudian las interacciones electroquímicas entre el electrolito y los materiales activos.
El Helmholtz-Zentrum de Berlín aporta su experiencia en análisis operando y tomografía 3D. Las simulaciones de dinámica molecular apoyan el proceso de desarrollo de las células, permitiendo evaluaciones precisas de la estabilidad y compatibilidad de los componentes a diferentes escalas.
El proyecto europeo TALISSMAN añade a la investigación el escalado industrial y la validación de aplicaciones. Coordinado por el instituto vasco CIDETEC, nueve socios de España, Francia, Italia y Alemania están desarrollando dos generaciones de células para aplicaciones de movilidad eléctrica. Sus objetivos incluyen densidades energéticas de hasta 550 vatios-hora por kilogramo, la integración de electrolitos cuasi sólidos no inflamables y costes de producción inferiores a 75 euros por kilovatio-hora. El diseño de la célula seguirá siendo compatible con las líneas de producción de baterías de iones de litio existentes.
Todas las fases de producción tienen lugar en el Centro de Tecnología Avanzada de Baterías (ABTC) del instituto, en Dresde. Esta instalación cuenta con una línea flexible para la fabricación de electrodos, que utiliza el clásico revestimiento de lodos o DRYtraec, así como corte por láser en aire seco, apilado multicapa, sellado térmico y formación, con la opción de envejecimiento cíclico.
En combinación con la analítica y la simulación de procesos, esta configuración permite el desarrollo de células de extremo a extremo desde una única fuente de origen. Fraunhofer IWS ofrece más que resultados a escala de laboratorio: proporciona demostradores cercanos a la aplicación. Todas las células se someten a una caracterización electroquímica exhaustiva.
Los socios industriales del sector aeroespacial, la tecnología de drones y la electromovilidad se benefician de un menor riesgo de desarrollo, una transferencia de tecnología acelerada y una producción de baterías económicamente viable. Las densidades energéticas superiores a 600 vatios-hora por kilogramo y los costes específicos inferiores a 75 euros por kilovatio-hora están al alcance de la mano.
La aviación, los sistemas aéreos no tripulados y los sistemas portátiles de almacenamiento de energía exigen una excelente relación energía-peso. Los conceptos de célula que se están desarrollando en AnSiLiS y TALISSMAN responden directamente a estos requisitos.
La combinación de materiales optimizados, análisis en profundidad y desarrollo basado en procesos allanará el camino para las baterías de litio-azufre en aplicaciones en las que las tecnologías convencionales alcanzan sus límites. Se espera que los prototipos funcionales validen el rendimiento previsto en los próximos años.
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