Fraunhofer ILT identifica el láser como tecnología clave para las baterías de estado sólido
Las baterías de iones de litio con electrolitos líquidos están alcanzando sus límites físicos, por lo que se está investigando en todo el mundo sobre las pilas de estado sólido. Fraunhofer ILT comparte la opinión de que las baterías con electrolitos sólidos tienen un gran potencial: “Prometen mayores densidades de energía gracias a los ánodos de metal de litio, mayor seguridad y una ventana de temperatura más amplia gracias a los electrolitos sólidos, así como nuevos grados de libertad en el diseño de las celdas”, tal y como afirman los expertos de Fraunhofer en un artículo técnico. Sin embargo, el camino desde los prometedores resultados de laboratorio hasta la producción industrial es largo, y la tecnología láser podría desempeñar un papel decisivo en esta transición.
“Materiales como el metal de litio y los electrolitos que contienen sulfuro requieren nuevas estrategias de proceso, y su fabricación exige inversiones en entornos especializados de sala seca o gas inerte. La tecnología láser puede contribuir de forma decisiva, por ejemplo mediante la sinterización selectiva de electrolitos sólidos, la estructuración selectiva de interfaces y el corte sin contacto de metales dúctiles”, explican los investigadores del Fraunhofer ILT. Esto podría situar al láser como una tecnología clave en el cambio de las pilas de laboratorio a las baterías industriales de estado sólido.
Tres cuellos de botella para la industrialización
“Las baterías de estado sólido coexistirán con las células de iones de litio convencionales en un futuro previsible y servirán principalmente para aplicaciones especialmente exigentes en la industria del automóvil, como el mercado de vehículos de lujo”, afirma el físico Stoyan Stoyanov, del Grupo de Corte del Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT. Sin embargo, primero deben superarse importantes obstáculos para su aplicación industrial. La manipulación de ánodos de metal de litio presenta retos particulares: el material es extremadamente sensible al procesamiento, según los expertos. “Reacciona fuertemente con el oxígeno y la humedad, forma fácilmente capas pasivas y puede inflamarse bajo tensión mecánica. Los procesos convencionales de corte o laminado alcanzan rápidamente sus límites aquí”.”
Ni siquiera los electrolitos sólidos son fáciles de manejar: los materiales óxido-cerámicos como el zirconato de litio y lantano (LLZO) deben sinterizarse a unos 1.200 °C. Durante este proceso, Fraunhofer ILT informa de frecuentes pérdidas de litio y de la formación de fases secundarias. Dichas pérdidas no son sólo un problema tecnológico, sino también económico, ya que inutilizan las costosas materias primas. Aunque los llamados polvos de sacrificio pueden compensar parcialmente estos efectos, el proceso sigue siendo complejo y muy sensible a las más mínimas fluctuaciones, según los científicos.
Fraunhofer ILT identifica el interfaz entre el electrolito y el ánodo como otro cuello de botella: “Las altas resistencias interfaciales reducen el rendimiento y aumentan el riesgo de inhomogeneidades durante el recubrimiento y el decapado con litio. Dominar esta química interfacial es la base de unas células estables y duraderas”, explica Florian Ribbeck, del Grupo de Funcionalización a Alta Temperatura del Fraunhofer ILT.
Además, incluso en las líneas de producción de iones de litio ya establecidas, las elevadas tasas de desechos siguen siendo un problema acuciante. “Este problema se agrava en las pilas de estado sólido, ya que actualmente no existen vías de reciclaje cerradas para los materiales, que aún no están estandarizados”, afirma Ribbeck. “Por tanto, cada prototipo defectuoso supone no sólo un perjuicio económico, sino también la pérdida de valiosas materias primas. “Los procesos basados en láser pueden ayudar a aumentar la estabilidad del proceso y evitar los residuos desde el principio”.”
Electrolitos sólidos óxido-cerámicos
Un prometedor enfoque de investigación en el Fraunhofer ILT consiste en procesar electrolitos sólidos óxido-cerámicos como el mencionado LLZO. Este material presenta una gran estabilidad electroquímica frente a los ánodos de litio-metal y es menos reactivo a las condiciones ambientales en comparación con los electrolitos basados en sulfuro. “En el Fraunhofer ILT estamos investigando cómo puede utilizarse la radiación láser como fuente de energía localmente limitada y altamente dinámica para densificar las capas de LLZO de forma selectiva”, prosigue Ribbeck. “La ventaja reside en un calentamiento rápido combinado con un enfriamiento controlado. Esto reduce las pérdidas de litio y evita incompatibilidades de temperatura dentro del conjunto de la célula”.”
Los experimentos iniciales han demostrado una densificación homogénea, aunque la formación de grietas y la deslaminación siguen siendo los principales retos de la investigación. Además del LLZO, se están estudiando electrolitos de tipo NASICON como el fosfato de litio y aluminio y titanio (LATP). Estos materiales comparten requisitos de procesamiento similares pero presentan ventanas de estabilidad diferentes.
Estructuración láser para mejorar las interfaces
Tim Rörig, del Grupo de Estructuración de Superficies del Fraunhofer ILT, junto con Florian Ribbeck, también está explorando cómo puede optimizarse la interfaz con los ánodos de litio-metal mediante la estructuración láser dirigida. Utilizando ‘pulsos láser ultracortos en el rango de los femtosegundos’, introducen microestructuras en la superficie del electrolito sólido. Estas estructuras pretenden aumentar el área de contacto efectiva y promover una distribución más uniforme de la corriente, reduciendo potencialmente la impedancia interfacial. “Hemos demostrado que pueden generarse estructuras reproducibles del orden de 30 µm”, afirma Rörig.
Sin embargo, los resultados obtenidos hasta ahora también ponen de manifiesto la complejidad de la interacción. “Mientras que las superficies estructuradas mostraban una mejor humectación en casos individuales, la resistencia global de la célula a veces aumentaba”. El equipo sospecha que influyen tanto los cambios en la estructura cristalina como los defectos relacionados con el proceso. Mediante espectroscopia Raman y otros métodos analíticos, los participantes en el proyecto están caracterizando actualmente los cambios estructurales en la red cristalina tras el procesamiento por láser. Paralelamente, están investigando el recubrimiento de litio dirigido para controlar mejor el contacto, así como conceptos para ‘baterías sin ánodo’, en las que el litio se deposita sólo durante el primer proceso de carga.
Láseres para cortar láminas de metal de litio
Otro foco de atención del Fraunhofer ILT es el corte de láminas de metal de litio para su uso como material anódico: “El metal de litio se considera un componente clave para la próxima generación de células de alta energía, pero plantea retos considerables para la tecnología de fabricación”, explica Stoyan Stoyanov. “El material es blando, muy adhesivo y extremadamente reactivo. Los procesos mecánicos convencionales, como las cuchillas giratorias o el estampado, provocan rápidamente manchas, adherencias de las herramientas y bordes de corte no homogéneos.” Además, los procesos mecánicos están limitados a geometrías de corte lineales, lo que restringe mucho la flexibilidad en el diseño de las células. La tecnología láser ofrece aquí nuevas posibilidades. Como proceso sin contacto y resistente al desgaste, posibilita cortes precisos y permite contornos flexibles.
Sin embargo, tanto los procesos mecánicos como los basados en láser requieren un procesamiento exclusivamente en atmósferas cerradas de gas inerte o en cámaras secas.
El reto sigue siendo complejo
“El argón es especialmente adecuado porque evita la oxidación y permite así obtener bordes uniformes, pero es caro”, explica Stoyanov. “El nitrógeno es bastante más barato, pero da lugar a la formación de nitruros de litio. Las atmósferas que contienen agua, en cambio, favorecen la formación de óxidos e hidróxidos”. Estos subproductos aumentan los requisitos energéticos del proceso y pueden degradar simultáneamente las propiedades electroquímicas del electrodo.
Ya se están realizando estudios para desarrollar entornos de proceso más rentables al tiempo que se controlan mejor las interacciones en la superficie del litio. “Estos planteamientos se encuentran aún en una fase inicial. Por ello, en nuestro demostrador de laboratorio utilizamos argón puro con un punto de rocío inferior a -70 °C, aunque otras atmósferas son técnicamente viables.” Paralelamente, los investigadores trabajan en conceptos para integrar los procesos láser en entornos de producción escalables, por ejemplo utilizando miniambientes compactos que puedan purgarse selectivamente con gas inerte.
“Los procesos láser siguen ganando importancia”
A la hora de trasladar las pilas de estado sólido del laboratorio a la producción industrial, la producción actual de pilas de iones de litio sirve de valiosa referencia, según los expertos de Fraunhofer. “Muchos pasos del proceso, desde la producción de electrodos y el ensamblaje de las celdas hasta el acabado, son comparables en principio, aunque los requisitos de las celdas de estado sólido son significativamente mayores”. Las tecnologías láser ya están establecidas en la producción de iones de litio. Se utilizan, por ejemplo, en el corte por láser para el corte longitudinal preciso de las láminas de los electrodos, el secado por láser para eliminar los disolventes de forma rápida y eficiente desde el punto de vista energético, o el entallado por láser para recortar los colectores de corriente.
“Por eso los procesos láser son cada vez más importantes”, está convencido Stoyanov. “Su entrada de energía selectiva y sin contacto permite un mecanizado de alta precisión que puede integrarse en entornos protegidos como salas secas o miniambientes. Esto convierte al láser en una herramienta que puede utilizarse para cumplir los requisitos de los materiales y tener en cuenta las estrictas condiciones medioambientales.”
El Instituto Fraunhofer de Tecnología Láser ILT planea consolidar su experiencia a lo largo de toda la cadena de valor de las baterías de estado sólido. Se centra en ‘pasos de fabricación basados en láser que son cruciales tanto para el desarrollo de materiales como para su posterior industrialización’. Entre ellos se incluyen la sinterización por láser de electrolitos sólidos, la estructuración por láser para optimizar las interfaces, el corte por láser de láminas de metal de litio y los procesos de contacto e integración de las celdas en el conjunto.
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