En la carrera por una Unión Europea más sostenible, las fuentes de energía renovables desempeñan un papel crucial. Sin embargo, la naturaleza fluctuante de estas fuentes de energía limpias, representan un reto para lograr esta transición y cumplir los objetivos fijados.

CoFBAT plantea una solución a esta problemática mediante el desarrollo de la próxima generación de baterías para diferentes aplicaciones de almacenamiento estacionario, que puedan satisfacer la necesidad de producción y suministro de energía descentralizada para hogares y almacenamiento doméstico, red eléctrica industrial a gran y pequeña escala, despliegue de energías renovables, y pequeños dispositivos robóticos.

El reto de desarrollar baterías de alta densidad energética y más seguras se aborda mediante la investigación de materiales activos de alto voltaje y alta capacidad para formar un cátodo sin cobalto, junto con un novedoso electrolito de gel, preludio del estado-sólido.

Impacto en toda la cadena de valor

El almacenamiento de energía está creciendo en Europa. Las aplicaciones residenciales suponen 1.400 millones de euros al año, y los sistemas de almacenamiento de vehículos eléctricos están creciendo, estimándose actualmente en 130 millones de euros al año.

En consonancia con esta enorme demanda, el enfoque de CoFBAT abarca toda la cadena de valor; desde el desarrollo de materiales, hasta la validación de una tecnología rentable (optimizada en rendimiento y costes), el montaje y la optimización de las celdas, para conseguir baterías sin cobalto con las siguientes características:

• Una mayor vida útil (≥10.000 ciclos)
• Menores costes (hasta 0,03 euros/kWh/ciclo)
• Una mejora de la seguridad
• Un reciclaje más eficiente (>50%).

CoFBAT se alinea con Europa para convertirse en un actor competitivo en la cadena de valor mundial de los sistemas de almacenamiento energético, el cual depende en gran medida de los materiales destinados a su producción.

Como bien sabemos, el cobalto, utilizado comúnmente en las baterías de iones de litio, es uno de los materiales menos abundantes en la naturaleza lo que resulta en un aumento de su precio en el mercado. Además, se añade el riesgo de suministro adherido a su extracción, principalmente concentrada en la República Democrática del Congo.

La estimación de la demanda de cobalto para los próximos años, sin embargo, sigue en aumento. Esto proporciona una clara indicación a la comunidad científica de la necesidad de avanzar hacia tecnologías de cátodos sin cobalto. De ahí la importancia de la investigación acometida en CoFBAT como paso importante para resolver estos problemas.

Para llevar a cabo el desarrollo de materiales avanzados para baterías de iones de litio sin cobalto y respetuosos con el medio ambiente, CoFBAT estudia diversas formulaciones, tales como cátodos de espinela basados en LMNO, niobatos de titanio y compuestos nanométricos basados en silicio para el ánodo y electrolito de gel. Éstas son óptimas en términos de seguridad y estabilidad, aunque con una capacidad energética inferior en comparación con las baterías de Li-ion que existen actualmente en el mercado. En cualquier caso, esto se compensa gracias a su funcionamiento a un alto voltaje y a las posibilidades de reducir los costes, lo que resulta interesante para aplicaciones estacionarias.

Por otro lado, este proyecto europeo trabaja en la inclusión de un electrolito polimérico en gel que sustituye al electrolito líquido convencional, lo que supone la antesala en la penetración de la tecnología de electrolito en estado sólido, aumentando la seguridad de la celda por reducción de los riesgos potenciales de inflamabilidad.

Para llevar a cabo la investigación, el proyecto propone la adaptación de la formulación del electrodo a los materiales activos, para conseguir una mayor ciclabilidad. Asimismo, se estudia la formulación del electrodo para optimizar la morfología y la porosidad finales para maximizar su rendimiento.

El papel de CIC energiGUNE en CoFBAT

CIC energiGUNE cuenta con un importante papel en el proyecto, ya que lidera las actividades de caracterización de materiales, al contar con las plataformas e instalaciones más punteras del sur de Europa. En concreto, se centra en la investigación de los electrodos en diferentes estados de carga y descarga de las baterías de iones Li con objeto de determinar los mecanismos de degradación y así proporcionar información a los desarrolladores de materiales y garantizar una mayor vida útil.

Durante las primeras etapas de ejecución del proyecto, se ha procedido a la optimización de los materiales de alta densidad de energía para el cátodo, ánodo y la membrana de gel polimérico. Asimismo, el proceso de fabricación de estos materiales optimizados se ha escalado para poder fabricar celdas pouch de mayor amperaje en la siguiente fase.

En paralelo, CIC energiGUNE ha desarrollado los protocolos de desensamblado y separación de componentes para caracterizar de manera efectiva estos materiales en celdas de laboratorio y evaluar la compatibilidad electroquímica y el envejecimiento. Para ello, se emplean diferentes técnicas para determinar los cambios morfológicos, estructurales y fisicoquímicos en los materiales debido al ciclado de la batería. Esta tarea resulta crucial para la consecución de los objetivos de CoFBAT.

En definitiva, el nuevo sistema de almacenamiento sin cobalto y electrolitos poliméricos seguros desarrollado en CoFBAT, refuerza la competitividad europea en el ámbito de los materiales avanzados, la fabricación y la cadena de valor relacionada con las baterías.

La eliminación del cobalto supone un abaratamiento en las baterías de nueva generación además de una mayor seguridad, durabilidad y sostenibilidad a lo largo de todo su ciclo de vida.

La investigación tiene un fuerte impacto medioambiental gracias a la recuperación/reciclaje de materiales críticos, y, reducirá la dependencia de Europa de las importaciones de materias primas a fin de asegurar la cadena de suministro.