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Científicos del Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Fabricación y Automatización (IPA) han perfeccionado la producción de cátodos de fosfato de hierro y litio con base acuosa analizando sistemáticamente la influencia de distintos procesos de dispersión.
Las baterías de iones de litio son la columna vertebral de la electromovilidad y los sistemas modernos de almacenamiento de energía. Sin embargo, su producción es perjudicial para el medio ambiente: los aglutinantes estándar como el fluoruro de polivinilideno (PVDF) -un plástico que mantiene unidos los electrodos- requieren el disolvente tóxico N-metil-2-pirrolidona (NMP).
En esta ocasión, para este proceso se utiliza el aglutinante de base biológica carboximetilcelulosa (CMC). La CMC es soluble en agua, procede de la celulosa y permite controlar el proceso completamente con agua, sin disolventes orgánicos.
Para los cátodos, los electrodos positivos, el fosfato de hierro y litio (LFP) se considera una alternativa más segura y rentable que los electrodos de óxido de níquel, manganeso y cobalto (NMC). Esto se debe a que el LFP no requiere metales críticos como el cobalto y el níquel, es térmicamente estable y logra ciclos de larga duración. En la práctica industrial, sin embargo, la conductividad comparativamente baja del LFP ralentiza el rendimiento a altas velocidades de carga y descarga.
El equipo investigó sistemáticamente dos procesos de relevancia industrial que mezclan una pasta de material activo, negro de humo conductor, aglutinante y agua: un disolvente clásico y el proceso de molienda por chorro húmedo a alta presión. En la mezcla por disolución, un disco dentado gira a gran velocidad en la pasta, también conocida como lodo, creando fuerzas de cizallamiento que rompen los aglomerados de partículas. La molienda por chorro húmedo es un proceso de alta presión en el que la pasta se presiona a través de microboquillas a una presión de hasta 2200 bares. Genera colisiones intensas de partículas y una trituración especialmente eficaz.
Los investigadores caracterizaron las pastas resultantes en términos de distribución del tamaño de las partículas, viscosidad (comportamiento de flujo) y comportamiento de sedimentación. Los electrodos recubiertos y calandrados -es decir, las capas compactadas de electrodos- se analizaron mediante mediciones de espesor y microscopía electrónica de barrido. El rendimiento electroquímico se determinó mediante ensayos de tasa C. En estos ensayos, las celdas de la batería se prueban a diferentes velocidades de carga y descarga: 0,1 C = carga/descarga muy lenta, aprox. 10 h para carga/descarga completa; 1 C = "nominal", 1 h; 3 C = muy rápida, 20 min.
Los resultados muestran diferencias significativas en las propiedades de los purines: La molienda por chorro húmedo redujo el tamaño medio de las partículas en un 39% (de 7,91 a 4,78 micras) y disminuyó drásticamente la viscosidad: un 96% a velocidades de cizallamiento bajas, un 80% a velocidades de cizallamiento medias y un 64% a velocidades de cizallamiento altas. Las partículas más finas y la menor viscosidad de la molienda por chorro húmedo permitieron procesar un mayor contenido en sólidos en comparación con la pasta de disolución, lo que puede reducir la energía necesaria para el secado.
Las micrografías electrónicas de barrido mostraron que los electrodos producidos mediante molienda por chorro húmedo eran más homogéneos y estaban densamente empaquetados. La interfaz con el colector de corriente de aluminio era más lisa y cerrada, lo que sugiere un mejor flujo de corriente y estabilidad mecánica.
A pesar de las diferencias significativas en las propiedades de procesado, el rendimiento electroquímico de los electrodos sólo difería ligeramente. En la mayoría de los índices de C probados, las capacidades de descarga -es decir, la cantidad de energía eléctrica que puede liberar la pila- estaban dentro de la tolerancia de medición. Sólo a 1,0 C la variante de fresado por chorro húmedo mostró una capacidad un 12,8% superior (83,8 frente a 73,1 miliamperios-hora por gramo). Los investigadores lo atribuyen a la mayor superficie activa de las partículas más pequeñas, que permite reacciones electroquímicas más rápidas.
Un balance energético global de la mezcla y el secado muestra la ventaja decisiva: la combinación de molienda por chorro húmedo y mezcla con disolvente para la formulación completa requirió 0,98 kilovatios hora por kilogramo de pasta (kWh/kg), frente a los 1,70 kWh/kg del proceso de disolvente puro. Junto con la energía de secado, esto corresponde a un ahorro energético del 42%. El mayor contenido en sólidos de la pasta de molienda por chorro húmedo reduce, por tanto, los tiempos de secado y aumenta la eficiencia de la producción.
"Nuestros resultados demuestran que la optimización de los procesos de producción es tan importante como la elección de los materiales", explica Leah Jalowy, autora del estudio, y su colega Dominik Nemec añade: "El procesamiento en agua con aglutinante CMC elimina los disolventes tóxicos de la cadena de producción, mientras que los procesos de dispersión optimizados ahorran energía y mejoran la calidad del producto, sin afectar significativamente al rendimiento de la pila."
El estudio se publicó en la revista de acceso abierto AppliedChem el 5 de noviembre de 2025 y aporta datos importantes para los fabricantes de pilas que deseen establecer procesos de producción sostenibles. Aunque las investigaciones se llevaron a cabo a escala de laboratorio, los resultados sugieren que los beneficios son aún más significativos cuando se amplían a escala industrial.
El trabajo para el estudio se llevó a cabo dentro de la plataforma tecnológica del centro de dispersión de Fraunhofer IPA en estrecha colaboración con el fabricante japonés de maquinaria Sugino. Junto con empresas miembro como Sugino, el Centro de Dispersión trabaja y aborda temas de actualidad en la investigación de la dispersión de forma intersectorial y orientada a objetivos concretos.
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