Alumínio em vez de grafite: o Fraunhofer IPA resolve um problema central da investigação sobre ânodos
Célula de bateria sem PFAS torna-se viável a nível industrial
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O alumínio é, há muito, considerado um material promissor para ânodos em baterias de iões de lítio, mas as perdas de capacidade e a degradação estrutural do material têm impedido, até agora, a sua utilização industrial. O Fraunhofer IPA conseguiu agora um avanço tecnológico: uma tecnologia patenteada estabiliza o ânodo de alumínio durante ciclos repetidos de carga e descarga. Assim, torna-se utilizável na prática uma tecnologia que combina elevadas densidades energéticas com uma arquitetura de células sustentável, segura, económica e robusta.
Elevado potencial – até agora limitado por danos no material
O alumínio é, há muito, considerado um material promissor para ânodos em baterias de iões de lítio. Está disponível, é económico e permite capacidades elevadas. No entanto, o estado da técnica até agora apresentava um desafio significativo: durante o carregamento e a descarga, o alumínio altera o seu volume. Isto gera tensões mecânicas que conduzem a fissuras, à formação de poros e, em última instância, à pulverização do material do elétrodo. O resultado é uma diminuição da capacidade e uma vida útil limitada da célula. Até agora, estes danos no material impediram a utilização industrial de ânodos de alumínio.
Inovações patenteadas estabilizam o ânodo de alumínio
O Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Produção e Automatização (IPA), em colaboração com o Instituto de Fotovoltaica da Universidade de Estugarda, desenvolveu e patenteou agora uma tecnologia de células e elétrodos que impede precisamente estes processos de envelhecimento, resolvendo assim o problema central. As inovações estabilizam os materiais durante o funcionamento e mantêm o contacto elétrico no interior do elétrodo ao longo de muitos ciclos de carga e descarga.
«Estamos a tornar praticável uma tecnologia de baterias conhecida há muito tempo, mas até agora difícil de controlar», afirma o professor Kai Peter Birke, diretor científico para sistemas e armazenamento de baterias e hidrogénio no Fraunhofer IPA. «A nossa abordagem combina altas densidades energéticas com uma química de células simples, robusta e concebida com vista à segurança.» A tecnologia dispensa o uso de grafite ou silício no ânodo. Assim, eliminam-se os desafios típicos dos ânodos convencionais de alta energia com elevado teor de silício, relacionados com as fortes variações de volume e os danos nos materiais daí resultantes durante os processos de carga e descarga. Além disso, é possível prescindir do grafite, amplamente utilizado no ânodo, o que é considerado um grande risco de abastecimento para a indústria europeia de baterias.
O material de base do ânodo de alumínio é uma folha de alumínio ligada, disponível no mercado e de baixo custo, que desempenha simultaneamente o papel de condutor de corrente e de material ativo. Desta forma, é possível prescindir totalmente do cobre como folha de suporte. Além disso, elimina-se o dispendioso processo de revestimento, que torna o material ativo utilizável como elétrodo. Isto reduz consideravelmente, para além dos custos de processo, também o consumo de energia na produção de elétrodos.
Cátodo de óxido de lítio-manganês como alternativa ao cátodo de fosfato de ferro-lítio
Como conceito de célula, este ânodo de alumínio pode ser combinado de forma excelente com uma cátodo de óxido de lítio-manganês (LMO) económica e isenta de flúor. Isto permite uma densidade energética competitiva nas células de bateria à base de LMO e oferece uma alternativa sem fosfato e económica à amplamente utilizada célula de fosfato de ferro e lítio.
Além disso, este ânodo de alumínio pode ser utilizado com solventes eletrolíticos alternativos com elevado ponto de inflamação, que permitem um funcionamento seguro a temperaturas elevadas. Esta combinação de um eletrólito alternativo isento de flúor e de um cátodo LMO isento de flúor permitiria uma estrutura de célula totalmente isenta de flúor e, consequentemente, também de PFAS. O risco de fuga de fluoreto de hidrogénio altamente tóxico de uma bateria de iões de lítio seria assim completamente eliminado.
Uma vez que a estabilidade do material passa a ser controlável, abrem-se novas possibilidades de aplicação para o ânodo de alumínio. Esta química de célula segura e robusta permite a sua utilização no transporte aéreo de mercadorias, por exemplo, para o rastreio de contentores de transporte ou em equipamentos médicos especializados. Estas aplicações requerem sistemas de armazenamento de energia que possam ser operados de forma compacta, fiável e segura.
Produção possível em instalações existentes
Outra vantagem: a composição química da célula foi concebida para a produção em instalações de produção existentes. Assim, pode ser integrada em processos industriais existentes sem a necessidade de construir infraestruturas de fabrico totalmente novas. Os cientistas da equipa do Professor Birke construíram vários protótipos da sua bateria recém-desenvolvida e estão atualmente a testá-los nos laboratórios do Centro de Produção Digitalizada de Células de Bateria (ZDB) no Fraunhofer IPA.
«O nosso objetivo é uma tecnologia de baterias que combine elevada densidade energética, funcionamento robusto das células e viabilidade económica de fabrico», afirma Kathrin Schad, da equipa de investigação de tecnologias de baterias do Fraunhofer IPA. «O avanço na estabilidade dos materiais torna as baterias com ânodos de alumínio uma opção realista para a próxima geração de sistemas de armazenamento de energia exigentes.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
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