De materia prima a batería de coche (casi) terminada
Éxito del proyecto europeo de baterías
En un proyecto europeo de cuatro años dirigido por Empa, once colaboradores de la investigación y la industria consiguieron mejorar notablemente las baterías para coches eléctricos. Uno de los principales objetivos del proyecto era ampliar la escala de los nuevos materiales y tecnologías para poder comercializarlos lo antes posible.
Las nuevas pilas de iones de litio son más sostenibles, seguras y tienen una mayor densidad energética.
SeNSE Consortium
A partir de 2035 no se venderá en Europa ningún coche nuevo con motor de combustión. Para alcanzar este ambicioso objetivo se necesita sobre todo una cosa: mejores baterías para que los coches eléctricos puedan cargarse más rápido, recorrer distancias más largas y tener una huella ecológica menor. Un gran número de grandes proyectos de investigación están apoyando a la industria de las baterías y del automóvil en el desarrollo de las baterías del futuro. Uno de ellos, un proyecto de Horizonte 2020 llamado SeNSE, concluyó con éxito a principios de 2024.
El proyecto de la UE, de cuatro años de duración y con un presupuesto global de más de 10 millones de euros, fue iniciado y dirigido por investigadores del laboratorio de Materiales para la Conversión de Energía de Empa. En el momento de la convocatoria de propuestas, este laboratorio relativamente nuevo apenas era conocido en el campo de la investigación sobre baterías. El jefe del laboratorio, Corsin Battaglia, sabía que para formar parte de un proyecto europeo de baterías, él y su equipo tendrían que lanzar uno por su cuenta. Y así lo hicieron: Battaglia y su colega Ruben-Simon Kühnel lograron convencer a instituciones y empresas industriales de todo el mundo para que se unieran a ellos, y juntos consiguieron la financiación.
Tecnologías para hoy
El objetivo de SeNSE era tan pragmático como ambicioso. Los once colaboradores querían desarrollar soluciones para la próxima generación de baterías de iones de litio: la próxima, subraya Battaglia, y no la siguiente. Dicho de otro modo: Al final del proyecto, los materiales y tecnologías desarrollados deberían estar lo más cerca posible de la producción a escala industrial y, por tanto, de su uso en coches eléctricos. "También estamos investigando tecnologías de baterías potencialmente mucho mejores que las de iones de litio: más sostenibles, seguras y con mayor densidad energética", explica Battaglia. "Pero aún pasarán algunos años antes de que puedan producirse industrialmente. En SeNSE queríamos desarrollar tecnologías que pudieran instalarse en coches eléctricos listos para el mercado en pocos años".
Para lograrlo, los equipos implicados recorrieron casi toda la cadena de valor de producción de baterías en sólo cuatro años: desde el desarrollo de nuevos materiales y su escalado hasta su instalación en celdas de baterías. El Instituto Austriaco de Tecnología (AIT) fabricó las pilas de petaca, que tienen aproximadamente el tamaño de un smartphone. FPT Motorenforschung AG, el centro de innovación de la marca FPT Industrial, perteneciente al Grupo Iveco, pudo entonces instalar las celdas en un módulo listo para usar como los que se utilizan en los vehículos eléctricos, incluyendo la electrónica y el software asociados.
Todos los componentes mejorados
El módulo SeNSE presenta varias mejoras con respecto a las baterías actuales: una mayor densidad energética y un balance medioambiental más favorable, capacidad de carga rápida y mayor seguridad contra incendios y, por supuesto, rentabilidad. Todos los componentes básicos de la batería se perfeccionaron en el proyecto. El cátodo contiene sólo la mitad de la materia prima crítica cobalto que las baterías actuales. En el ánodo, los colaboradores pudieron sustituir parte del grafito -también clasificado como crítico precisamente por la producción de baterías- por silicio, uno de los elementos más comunes de la corteza terrestre.
También se ha mejorado el electrolito, el líquido que transfiere iones entre los electrodos y permite así cargar y descargar la batería. En este caso, los investigadores de Empa dirigieron los esfuerzos de desarrollo. "Los electrolitos convencionales son inflamables", explica Kühnel, investigador de Empa. "Pudimos reducir mucho la inflamabilidad utilizando ciertos aditivos sin perjudicar la conductividad, que es clave para la carga y descarga rápidas". Para mejorar aún más la capacidad de carga rápida, la Universidad de Coventry y FPT Motorenforschung AG también desarrollaron un sofisticado sistema de gestión de la temperatura para el módulo piloto. Unos sensores integrados directamente en las celdas controlan la temperatura del interior de la batería en tiempo real. Un algoritmo especialmente desarrollado puede entonces cargar la célula con la rapidez suficiente para evitar daños por sobrecalentamiento.
Battaglia y Kühnel consideran que la escalabilidad y la transferencia directa a la industria son los mayores éxitos del proyecto. Los equipos industriales ya han podido registrar varias patentes de los nuevos desarrollos resultantes de SeNSE, construir plantas piloto y conseguir financiación, así como incorporar sus nuevos conocimientos a otras tecnologías de baterías. La empresa química Huntsman ya ha lanzado al mercado el aditivo conductor que se utilizó en los electrodos de SeNSE, donde ya está a disposición de los fabricantes de baterías.
El siguiente paso
El camino hacia el éxito no estuvo exento de obstáculos. Además de los grandes retos organizativos planteados por la pandemia, la inestabilidad de las cadenas de suministro y el aumento de los precios de las materias primas y la energía, también hubo dificultades técnicas. Por ejemplo, las células prototipo aún no son tan estables como el equipo del proyecto desearía. El escalado, aunque satisfactorio, también dista mucho de haberse completado. "Hemos escalado todos los nuevos desarrollos desde el laboratorio hasta la escala piloto", dice Battaglia. "Para la producción en una llamada gigafactoría, de, por ejemplo, el socio del proyecto Northvolt, que produce varios gigavatios hora de baterías al año, todo el proceso de producción de materiales tendría que escalarse una vez más, digamos, por un factor de 1000". Para ello será necesario el compromiso de la industria.
Mientras tanto, los investigadores de Empa ya están centrando su atención en el próximo proyecto europeo de baterías. SeNSE tenía tres proyectos hermanos que se financiaron en la misma convocatoria de propuestas. "Hemos fundado un clúster conjunto para la investigación de baterías, y periódicamente intercambiamos ideas y resultados", dice Kühnel. Los coordinadores de los cuatro proyectos han lanzado ahora un proyecto de investigación conjunto de Horizonte Europa llamado IntelLiGent. El objetivo es desarrollar pilas de alto voltaje sin cobalto para coches eléctricos.
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