Durante la fase de investigación, los nuevos materiales suelen fabricarse y probarse en cantidades de un gramo. En consecuencia, la consistencia y el rendimiento de estos materiales cuando se producen en lotes de mayor tamaño (por ejemplo, de cientos de gramos a kilogramos) necesarios para el desarrollo de prototipos y a escala industrial permanece incierta hasta que el proceso se ha desarrollado completamente.
Esto representa un problema importante en el camino que va de la investigación fundamental a la posible comercialización, sobre todo porque, dada la naturaleza de las inversiones de tiempo y recursos requeridas, la industria suele desconfiar de los riesgos asociados aal escalado del proceso para materiales no probados. Por ello, muchos materiales de los que se dice que tienen propiedades prometedoras en la literatura científica se quedan en el nivel de la investigación. Por ello, el escalado de materiales avanzados para baterías representa un vínculo crítico entre el descubrimiento de materiales, la evaluación del mercado y la fabricación a gran escala.
Para ayudar a superar este escollo, CIC energiGUNE está desarrollando tanto instalaciones de escalado como conocimientos técnicos para no sólo transferir nuestros propios materiales novedosos al nivel de prueba de concepto, sino también para ayudar a los socios industriales y de investigación con sus propios procesos de síntesis.
Explorando un rico paisaje: dando los primeros pasos
Para cada material catódico existe una amplia gama de propiedades que hay que optimizar, como la cantidad de energía que puede almacenar, la cantidad y la rapidez con la que puede cargarse y descargarse, la facilidad con la que puede transformarse en un electrodo, así como una multitud de condiciones de síntesis que pueden afectar a éstas tanto directa como indirectamente. Las condiciones de síntesis también pueden interactuar entre sí (por ejemplo, la concentración óptima de reactivos a una temperatura puede ser diferente a la de otra temperatura). El aumento de la escala también puede tener consecuencias inesperadas; por ejemplo, una ligera reacción exotérmica puede ser imperceptible a escala de laboratorio, pero a una escala mucho mayor puede llegar a ser tan extrema como para provocar un escape térmico.
Esta complejidad puede parecer abrumadora y la tarea de encontrar las condiciones óptimas para los materiales a escala, desalentadora. Sin embargo, aprovechando las herramientas, las técnicas y los conocimientos previamente establecidos, CIC energiGUNE es capaz de superar estos importantes retos.
En primer lugar, la reproducibilidad es fundamental a la hora de optimizar los procesos: si hay variaciones significativas entre síntesis en condiciones supuestamente iguales, será muy difícil, al variar las condiciones, determinar la causa de los cambios observados. La producción en estado estacionario mediante la coprecipitación continua ofrece una solución potencial, ya que este enfoque da lugar a propiedades del producto (incluidos los tamaños de las partículas primarias y secundarias, la morfología, la distribución de tamaños, la densidad de las partículas, etc.) que permanecen constantes durante el funcionamiento.
Así, utilizando un sistema de reactor de tanque agitado continuo (CSTR) controlado con precisión (véase la figura 1), combinado con potentes herramientas analíticas para comparar todos los precursores (por ejemplo, las soluciones de partida) y las variaciones durante el proceso (por ejemplo, los cambios en la distribución del tamaño del producto, el pH, etc.), es posible garantizar una buena reproducibilidad de las propiedades y la calidad utilizando un método típicamente viable y escalable desde el punto de vista económico.
