Técnica de producción para baterías de estado sólido

Electrodo cerámico multicapa para las primeras pruebas de funcionamiento. © Fraunhofer IPA/Foto: Inga Landwehr

En el Centro para la Producción Digitalizada de Celdas de Batería en el Fraunhofer IPA se desarrolla, junto con las empresas medianas Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH y Dr. Fritsch GmbH & Co KG, la tecnología de procesos para las baterías sólidas del futuro. El Estado de Baden-Württemberg financia el proyecto de investigación con más de un millón de euros.

»Las baterías de estado sólido tienen el potencial de reemplazar la tecnología de baterías actual«, está convencido Carsten Glanz. El jefe de grupo de Tecnología de Aplicación de Materiales Funcionales en el Instituto Fraunhofer para la Tecnología de Producción y Automatización IPA quiere, junto con un equipo de científicos y dos empresas medianas de Baden-Württemberg, crear las condiciones para la fabricación automatizada de almacenamientos de energía de alta calidad.

En comparación con las baterías de iones de litio actualmente comunes, las baterías de estado sólido tienen varias ventajas: la seguridad es mayor — porque no se necesita un electrolito líquido, no puede filtrarse ni inflamarse. Además, ofrecen una mayor densidad de energía y una vida útil más larga.

Aún la tecnología está en sus etapas iniciales. »Las baterías de estado sólido con una capa de electrolito de cerámica, por ejemplo, solo se fabricaron hasta ahora a escala de laboratorio. La escalabilidad — es decir, la transferencia de los resultados a una producción a gran escala — todavía no está clara«, explica Glanz.

En el proyecto »Investigación de nuevas tecnologías de mezcla y sinterización para electrolitos cerámicos gradados«, abreviado EMSig, el ingeniero quiere ahora, junto con dos socios industriales, desarrollar y optimizar una cadena de procesos para la fabricación a gran escala de baterías con electrolitos cerámicos: »En el IPA, gracias al Centro para la Producción Digitalizada de Celdas de Batería, tenemos mucha experiencia en automatización en la fabricación de baterías, y nuestros socios de cooperación poseen un conocimiento profundo sobre la fabricación y funcionalización, manejo y sinterización de polvos.«

»Dr. Fritsch GmbH & Co KG proporcionará y modificará en el marco del proyecto el polvo de partida cerámico, necesario para la fabricación de electrolitos cerámicos«, informa Ute Wilkinson, directora general de Dr. Fritsch. »Aquí contamos con la competencia para producir y analizar materiales a medida.« El segundo socio es Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, un fabricante internacional líder de máquinas para mezclar, dosificar y sinterizar polvos. La empresa tiene una larga tradición en el manejo innovador de polvos y en la tecnología de sinterización. Así, los nuevos métodos de producción pueden implementarse de inmediato en las máquinas necesarias. En el centro del proceso de producción estará el desarrollo de nuevas instalaciones de sinterización FAST / SPS. Dr. Fritsch, con más de 1000 instalaciones de sinterización en todo el mundo, es el fabricante líder en este tipo de máquinas FAST / SPS.

Transición suave en lugar de límites rígidos

Un desafío especial en la fabricación de baterías de estado sólido son las transiciones de material: los límites agudos entre las diferentes capas de la batería pueden conducir a una mala conducción de iones. Debido a diferentes expansiones térmicas, incluso puede producirse una fractura a lo largo de las interfaces.

La solución: límites fluidos. »Sabemos por experimentos de laboratorio que las tensiones pueden evitarse mediante transiciones graduadas entre el electrolito cerámico y los electrodos«, informa Glanz. »Hasta ahora, no se había aclarado cómo realizar técnicamente estas transiciones que reducen las tensiones.«

El objetivo del proyecto EMSig es construir una planta demostradora en la que se construyan y sinteren capas de polvo homogéneas y ultrafinas, capa por capa, en las que la composición del polvo cambie en cada capa: en la transición entre electrodo y electrolito, por ejemplo, se añade progresivamente más polvo de cerámica — 25, 50, 75 y finalmente 100 por ciento.

En dos años, se espera que todo el proceso de producción esté lo suficientemente desarrollado para que la industria pueda utilizarlo para la fabricación a gran escala de baterías. El proyecto EMSig cuenta con el apoyo del Estado de Baden-Württemberg con 1,164 millones de euros.

Ficha técnica

Proyecto: »Investigación de nuevas tecnologías de mezcla y sinterización para electrolitos cerámicos gradados (EMSig)«
Socios del proyecto: Dr. Fritsch GmbH & Co KG, Dr. Fritsch Sondermaschinen GmbH, Instituto Fraunhofer para la Tecnología de Producción y Automatización IPA
Duración del proyecto: del 15.9.2021 al 14.9.2023
Monto de financiación: 1,164 millones de euros
Financiador: Estado de Baden-Württemberg
Número de referencia: BW1_0163/03