Em parceria com instituições de pesquisa e indústrias, o Instituto Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) modificou a estrutura dos eletrodos de baterias para que as células possam armazenar de 10 a 15% mais energia com o mesmo peso. Para isso, a pesquisa mais que triplicou a espessura do revestimento dos eletrodos — por exemplo, em baterias de íon-lítio —, e, assim, reduziu o número de coletores de corrente na célula. A equipe de pesquisa implementou a nova arquitetura de eletrodos em células de íon-lítio tipo pouch (também chamadas de células “de bolsa” ou soft pack), fabricadas utilizando processos padrão da indústria. O conceito foi igualmente aplicado com sucesso em células de íon-zinco e íon-sódio.

“Normalmente, o ânodo e o cátodo — os dois eletrodos de uma célula de bateria — consistem em muitas camadas finas e alternadas de revestimento de eletrodo e coletores de corrente”, explicou em nota do Fraunhofer ISE Oliver Fitz, líder do grupo de tecnologia de células de bateria do instituto. “Conseguimos aumentar a espessura do revestimento do eletrodo, de 200 micrômetros para até 800 micrômetros, reduzindo significativamente o número de coletores de corrente necessários. Como resultado, temos muito mais espaço para o material ativo, o que aumenta a densidade de energia em 10 a 15%, dependendo do tipo e do design da bateria.” A equipe de pesquisa do Fraunhofer ISE validou inicialmente a nova arquitetura de eletrodo para baterias de íon-zinco, íon-sódio e íon-lítio experimentalmente, usando pequenas células de bateria em laboratório. Para baterias de íon-lítio, eles também fabricaram protótipos de células tipo pouch com a estrutura de eletrodo recém-desenvolvida em uma linha de produção semiautomatizada na moderna sala limpa do Laboratório de Materiais e Produção de Células de Bateria do Fraunhofer ISE (foto). “O conceito da célula também pode ser facilmente adaptado a outras composições químicas de células”, acrescenta Oliver Fitz.

Os eletrodos da bateria são livres de substâncias per e polifluoroalquílicas (PFAS) e fabricados sem o uso de solventes tóxicos. A nova arquitetura da célula foi desenvolvida pensando na futura produção em massa: uma potencial linha de produção de eletrodos apresenta uma complexidade de processo significativamente menor em comparação com um sistema de revestimento úmido de última geração. Como resultado, os custos de capital são significativamente menores. Os custos operacionais também são reduzidos devido aos menores requisitos de espaço e energia. Segundo o ISE, essa tecnologia abre a possibilidade, principalmente para pequenas e médias empresas, de estabelecerem suas próprias instalações de produção de células de bateria na Alemanha. Os resultados do projeto demonstram uma abordagem promissora para a futura industrialização dessa nova arquitetura de eletrodo e célula. 

A Helmut Hechinger, fornecedora do setor automotivo, com mais de 30% da nossa receita na área da mobilidade elétrica, apoia o consórcio de pesquisa como parceira industrial e contribui com sua expertise em manufatura. A empresa vê “grande potencial para a produção de baterias focadas no armazenamento estacionário.” A fabricante de máquinas acp systems AG – também parceira do projeto – está desenvolvendo o equipamento para a fabricação dos eletrodos.  

O desenvolvimento é parcialmente financiado pelos ministério de Economia e Energia e o de Pesquisa, Tecnologia e Espaço da Alemanha, além de secretarias provinciais, e está inserido nos projetos maiores sobre baterias de íons de sódio e de íons de zinco para armazenamento de energia.