Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
Las láminas finas de litio son pioneras en la obtención de altas capacidades energéticas
La reducción del llamado «litio muerto» es una clave esencial para aumentar la eficiencia de las baterías
La demanda de baterías de iones de litio seguirá creciendo en el futuro para una amplia gama de aplicaciones
El desarrollo de procesos de fabricación eficientes en cuanto a recursos para los ánodos de las baterías de próxima generación era el objetivo del proyecto conjunto «nextBatt», financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF). En el Instituto Fraunhofer de Electrónica Orgánica, Tecnología de Haz de Electrones y Plasma FEP se han realizado nuevas combinaciones de materiales y tecnologías de producción eficientes para este fin. El Instituto presentará los resultados recientes en la SVC TechCon 2022, del 3 al 5 de mayo de 2022, en Long Beach/EE.UU., en el stand nº 436.
La demanda de baterías de iones de litio (LIB) está creciendo rápidamente. En 2020, el Instituto Fraunhofer de Investigación de Sistemas e Innovación ISI, entre otros, estimó que la demanda de celdas de iones de litio se multiplicará por un factor de 20 a 40 hasta 2030 sólo para la electromovilidad.
Para evitar el inconmensurable aumento del consumo de recursos que acompañará a la creciente demanda de LIB, científicos de todo el mundo están trabajando febrilmente en innovaciones.
En 2021 el proyecto «nextBatt» hizo su contribución individual a estos esfuerzos. Además del Fraunhofer FEP, el consorcio «nextBatt» se complementó con las capacidades de los Institutos Fraunhofer de Tecnología de Materiales y Rayos IWS, de Sistemas de Energía Solar ISE y de Ingeniería de Superficies y Películas Finas IST.
«En comparación con los sistemas comerciales, la capacidad energética de las baterías de iones de litio puede aumentar hasta un 65%», predice el Dr. Stefan Saager, director del proyecto en Fraunhofer FEP. «Esto puede alcanzarse sustituyendo los ánodos de grafito convencionales por materiales basados en el silicio y en perspectiva por el litio metálico. Con las tecnologías de proceso eficientes en recursos de Fraunhofer FEP, ya hemos conseguido producir recubrimientos de litio metálico puro y también recubrimientos de compuestos de litio-silicio a escalas relevantes para la producción.»
Normalmente, los recubrimientos de litio se producen en forma de películas finas mediante tecnologías de rodillo a rodillo, que también requieren el uso de lubricantes. En Fraunhofer FEP, sin embargo, los recubrimientos de litio se producen en un rango de grosor de 1 a 20 micrómetros por deposición térmica de vapor en vacío sin ninguna sustancia contaminante. Esto permite fabricar capas de litio metálico muy puras y, sobre todo, finas, de forma reproducible. En este proceso, el granulado de litio se transfiere al vacío, se introduce en un crisol y se calienta a continuación a temperaturas de 500 a 700°C. El litio se funde y finalmente se evapora. De forma similar a como se acumula el agua en las tapas de las ollas, el vapor de litio que se propaga se condensa en un sustrato. Este sustrato se desplaza de forma bien definida sobre la fuente de vapor de litio para que se condense en él una capa de litio de un grosor determinado.
Un gran reto durante el desarrollo de la tecnología fue no sólo la puesta en marcha de los procesos, sino también los entornos de trabajo, ya que el litio tiene una reactividad extremadamente alta. El litio reacciona no sólo con el oxígeno del aire, sino también con el nitrógeno. Además, en contacto con el agua forma el fuerte hidróxido de litio alcalino con liberación de hidrógeno. Se sabe que estas reacciones son fuertemente exotérmicas, lo que hace más difícil su manipulación y, por tanto, se requieren elevadas normas de protección de la salud y la seguridad. Por ello, el litio sólo puede manipularse bajo una atmósfera inerte de argón. Además, las capas de litio de alta pureza son esenciales para conseguir un buen rendimiento de la batería. Las instalaciones de Fraunhofer FEP se han preparado adecuadamente para los experimentos con materiales sensibles al aire como el litio.
Una de las principales ventajas de la tecnología es que el proceso de deposición de vapor también puede utilizarse para producir películas compuestas en combinación con otros materiales, como el silicio. Para ello, se instala «fácilmente» al lado otra fuente de vapor con una materia prima diferente. Los diferentes materiales se mezclan en las dos corrientes de vapor superpuestas y una capa de compuesto con la composición deseada se condensará en el sustrato. De este modo, se pueden alcanzar combinaciones de materiales muy prometedoras, que no podrían producirse de ninguna otra manera. Además, con este proceso se pueden alcanzar tasas de deposición muy altas, un criterio importante para convertir la tecnología en una producción en masa.
Hasta ahora, los recubrimientos de litio puro producidos en el Fraunhofer FEP han sido investigados en el Fraunhofer IWS con respecto a sus propiedades electroquímicas. Se descubrió que aproximadamente el 80% del litio depositado era electroquímicamente activo, es decir, que este material está disponible en una batería para las reacciones químicas que almacenan energía. La optimización de los pasos de procesamiento permite aumentar el porcentaje por encima del 90%. Esta mejora incluye varios procesos de limpieza y pretratamiento del sustrato, la propia tecnología de recubrimiento y los procesos de refinamiento mediante el tratamiento posterior. La reducción del llamado «litio muerto» es una clave esencial para aumentar la eficiencia de las baterías y este aspecto es actualmente objeto de una intensa investigación internacional.
En Fraunhofer FEP se dispone de plantas de prueba y piloto para este fin. Con ellas, por ejemplo, se pueden procesar placas y tiras metálicas o películas de plástico en un eficiente proceso de rollo a rollo.
En el consorcio del proyecto se están desarrollando otras tecnologías prometedoras para aumentar el rendimiento de las baterías. Por nombrar algunas: procesos de recubrimiento superficial y procesamiento de polvos, metalización de películas de plástico para colectores de corriente ligera o procesos de plasma para la producción de materiales de electrodos alternativos. Debido a la proximidad de los socios, entre otras cosas, en el Fraunhofer IWS se pueden aplicar amplias capacidades de caracterización sin tener que considerar los largos tiempos de almacenamiento y transporte de los materiales sensibles.
