Instituto Tecnológico de la Energía (ITE),

Actualmente uno de los principales retos a nivel mundial es hacer frente a la problemática del cambio climático. En este ámbito, la comisión europea mediante el Pacto Verde Europeo se ha comprometido a llegar a una neutralidad climática en 2050. Para llegar a ese objetivo serán necesarios la implementación de importantes cambios tanto en la generación, almacenamiento y uso de la energía. En ese contexto, las baterías son consideradas como una tecnología clave para acelerar esta transición energética reduciendo las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) en sectores como el del transporte, la energía y la industria. Dentro del campo de las baterías destacan por la capacidad de almacenamiento, densidad energética, seguridad y coste, las baterías de tipo Litio-ion. Este tipo de baterías se han posicionado como una alternativa real para la propulsión de vehículos, sustituyendo a los combustibles fósiles, permitiendo de este modo un impulso hacia una movilidad limpia proporcionada por el coche eléctrico debido a su contribución en la reducción de las emisiones de CO₂.

Para realizar una transición energética limpia, es necesario que las baterías de Litio-ion alcancen un equilibrio entre la capacidad energética, sostenibilidad y coste. Dentro del factor de la capacidad energética se encuentran los parámetros de densidad de energía, potencia, carga rápida, seguridad y ciclo de vida. Mientras que en la sostenibilidad se encuentran los parámetros de uso de fuentes renovables, huella de carbono en la producción de la tecnología, reciclabilidad y segunda vida. Para llegar a una buena transición energética es necesario la participación de cada uno de estos parámetros de forma equilibrada, para la obtención de baterías de elevada capacidad energética y seguridad con una reducción de costes para que sea una tecnología viable para todo el mundo.

En este sentido, el proyecto BATSENS liderado por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE) se centra en mejorar una de las problemáticas actuales de las baterías de Li-ion como es la degradación de la vida útil de las baterías. Para ello se han desarrollado nuevos materiales con un ciclo de vida más amplio, centrándose en la mejora sostenible y económica de cátodos de tipo NMC ricos en Níquel (Ni), así como la mejora de las propiedades térmicas, mecánicas y conductoras del separador polimérico mediante la integración de aditivos cerámicos y plastificantes. A su vez, se han monitorizado diversos parámetros mediante el desarrollo de sensores inteligentes que han sido incorporados en el interior de la celda electroquímica sin influir en la resistividad de los componentes, para conocer de primera mano los posibles mecanismos de degradación de las celdas durante su operación electroquímica. De esta forma los investigadores del ITE han podido recopilar información de los procesos que se van dando en la celda. Cumpliendo de esta forma una de las exigencias de la industria y de alineamiento con el Batteries 2030+ que pone como objetivo la monitorización continua de todos los parámetros susceptibles de control en cada proceso. El seguimiento de los parámetros de degradación será verificado mediante el diseño de un análisis Post-Mortem que implicará el desarrollo de una metodología de apertura segura de las celdas junto con la separación de sus componentes y la evaluación mediante métodos fisicoquímicos y electroquímicos al final de la vida de las baterías.

Retos actuales a los que hace frente la tecnología desarrollada en el proyecto BATSENS para incrementar la vida útil de las baterías de Li-ion de alta densidad energética
Los cátodos de tipo NMC ricos en Ni son cátodos de alta densidad energética, sin embargo, no son lo suficientemente estables para desarrollar todo su potencial energético. Actualmente los procesos de síntesis de materiales NMC ricos en Ni requieren altas temperaturas de calcinación y largos periodos de síntesis.  En este sentido con el objetivo de mejorar la estabilidad de estos materiales, los investigadores de ITE han desarrollado materiales catódicos con alto contenido en Ni mediante técnicas sostenibles y escalables a la industria mediante el control de las mezclas catiónicas Ni/Li en etapas de calcinación y en la estequiometria de la química NMC rica en Ni.

En lo referente al separador polimérico, actualmente las baterías de Li-ion emplean separadores de base poliolefina que presentan baja estabilidad térmica, limitada mojabilidad con el electrolito susceptibilidad a la creación de dendritas de litio. Todos estos factores llevan consigo la degradación del separador y por consiguiente la disminución del ciclo de vida de la batería. Para hacer frente a estos parámetros responsables de la degradación de la celda, en el proyecto BATSENS con el fin de llevar a TRLs (Technology Readyness Level) altos la tecnología desarrollada, se ha apostado por matrices poliméricas alternativas a las poliolefinas, con la capacidad de evitar la formación de dendritas de litio y aumentar la estabilidad térmica y mecánica del separador por la incorporación de aditivos cerámicos en el seno de la matriz polimérica. El método de síntesis empleado en el proyecto ha permitido el escaldo de la tecnología a la obtención de membranas poliméricas de 5-10 metros (Figura 1).

Figura 1. Separador polimérico escalado en el proyecto BATSENS

Por lo que respecta al desarrollo e integración de un sensor en la celda electroquímica, actualmente no existen sensores comerciales destinados a la monitorización del comportamiento de las baterías desde el interior de las celdas. Por ello los investigadores de ITE han optado por desarrollar un sensor laminar, que pueda cubrir un área específica de la celda y que sea capaz de conectar con el exterior, reduciendo al máximo el incremento de la resistencia interna, lo cual es un hito hoy en día ya que de esa forma se mantendrían las prestaciones electroquímicas de las baterías.

Entender los métodos de degradación de las baterías según su operación, y obtener la información necesaria para poder optimizar los procesos de producción de materiales, componentes y celdas según las necesidades de la batería es el objetivo principal de la metodología Post Mortem. Sin embargo, actualmente la metodología Post Mortem se encuentra todavía a nivel de estudios bibliográficos, en el proyecto BATSENS, se realiza la transición hacia casos reales, donde se han desarrollado metodologías de aperturas y separaciones de compones de forma segura de los distintos formatos de celda con la capacidad de identificar cuáles son los principales motivos de fallo de las celdas (Figura 2). Este conocimiento adquirido tanto en la capacidad de identificar el tipo de abuso que ha sufrido la batería permite ofrecer servicios de análisis Post-Mortem de baterías a las empresas interesadas en este campo, e incluso impartir cursos de formación o asesoría a todas aquellas empresas que estén experimentando problemas en sus baterías a lo largo de toda la cadena de valor de las mismas.

Figura 2. Desarrollo de apertura de distintos formatos de celdas de manera segura

Contribución al crecimiento y la sostenibilidad del sector industrial
Los avances generados en BATSENS beneficiarían a empresas de distintos sectores. Por un lado, a empresas químicas fabricantes de materiales cerámicos, debido a que podrán adaptar y validar los nuevos materiales desarrollados para la fabricación de cátodos de alta densidad y separadores poliméricos estables mejorando las tecnologías existentes o implementando nuevas tecnologías. El desarrollo de sensores paramétricos en el interior de la celda que permitan monitorizar la celda en todo momento beneficiará a las empresas de fabricación de sensores y usuarios de celdas de implementar la metodología sensorial en celdas de baterías de Li-ion. Por otro lado, el análisis Post-Mortem de baterías de ion litio se ubica tanto al final como al principio de la cadena de valor de las baterías, esta etapa permite optimizar el diseño y la configuración de las baterías para mejorar su rendimiento. En definitiva, El proyecto BATSENS ofrece a las empresas de baterías la oportunidad de mejorar la vida útil, la seguridad y la fiabilidad de sus productos, lo que se traducirá en ahorros de costes, diferenciación y crecimiento en el mercado. La colaboración y la inversión en investigación y desarrollo son clave para el éxito del proyecto y del sector en su conjunto.

El proyecto BATSENS, con expediente IMDEEA/2023/31, es cofinanciado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE+I) y por la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER). El proyecto agradece a las empresas COLORTEC, ESMALGLASS-ITACA, ZCHIMMER & SCHWARZ y ENDURANCE MOVE ON, su participación.