Alta flexibilidad en investigación de cerámicas para producir materiales innovadores para baterías
03 May 2021
MOBILE MINOR® suministrada en 2015 para actividades de I D en el KIT. Fuente: Markus Breig, KIT.
El Instituto de Materiales Aplicados - Sistemas de Almacenamiento de Energía (IAM-ESS) del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) lleva a cabo investigaciones que examinan la producción de nuevos materiales para el almacenamiento de energía, como por ejemplo para las baterías de ion-litio (LIB) y los sistemas post-litio. Un área clave de interés es comprender mejor la química y el diseño de materiales, así como el desarrollo de procesos cerámicos que permitan crear componentes y sistemas preparados para el futuro.
Por ejemplo, uno de los últimos estudios del IAM se centró en los aspectos estructurales de la formación y degradación por tensión de óxidos estratificados ricos en litio y manganeso. En los resultados de su trabajo, que fue calificado entre las 50 mejores publicaciones en química y ciencias de los materiales publicadas en Nature Communications 2019, se investigó sistemáticamente la degradación por tensión de los compuestos de inserción de litio ricos en manganeso y su dependencia estructural y de composición.
Incluso antes de que el Dr. Binder —que ahora es jefe del grupo de investigación: Síntesis y Tecnología de Polvos Cerámicos— se uniera al KIT (antes Forschungszentrum Karlsruhe) en 1994, el instituto utilizaba dos MOBILE MINOR®, uno de los cuales sigue activo en varias áreas de investigación. Hace unos años, añadieron otra unidad y, muy recientemente, su equipo encargó dos nuevos MOBILE MINOR®, uno de los cuales — el Jubilee MOBILE MINOR®— representa la venta número 2500 de GEA a clientes para aplicaciones de I+D.
Los nuevos sistemas de la planta piloto de síntesis de HEMF nos permitirán trasladar las estrategias de síntesis de materiales prometedores para baterías del laboratorio a una escala de planta piloto, con el fin de fabricar y analizar celdas de baterías de gran tamaño a partir de estos nuevos materiales”.
- Dr. Joachim R. Binder, Jefe del grupo de investigación: Síntesis y tecnología de polvos cerámicos en IAM-ESS del KIT
Apoyo a la investigación de materiales para baterías HEMF en KIT
La Helmholtz Energy Materials Foundry (HEMF) es una plataforma de investigación y desarrollo colaborativa a gran escala dedicada a la síntesis de materiales nuevos y mejorados para aplicaciones de conversión y almacenamiento de energía. En el KIT se está creando una planta piloto de síntesis de materiales para baterías como parte del proyecto HEMF, de modo que la investigación sobre baterías puede llevarse a cabo a lo largo de toda la cadena de valor en el Centro Tecnológico de Baterías del KIT.
Para la evaluación de materiales nuevos o mejorados con respecto a un posible uso en una batería de ion-litio, basta con masas de muestras del orden de unos pocos gramos; pero si un material presenta propiedades electroquímicas prometedoras, su rendimiento debe validarse con volúmenes mayores. Para fabricar baterías de ion-litio de gran tamaño se necesitan mayores cantidades de materiales (hasta 10 kg), y en el KIT se ha construido una planta de síntesis de tamaño medio en la que se utilizan los dos MOBILE MINOR® para producir los materiales para baterías necesarios. Realiza las siguientes tareas:
- transferencia de la síntesis de laboratorio a pequeña escala a procesos escalables
- preparación de varios materiales para producir celdas de ion-litio de gran tamaño
- producción de algunos materiales seleccionados para la fabricación de sistemas de baterías
Los requisitos clave de la planta son preservar la calidad del producto en polvo durante el escalado y garantizar la reproducibilidad. La planta de síntesis de tamaño medio permite tanto un proceso fiable de síntesis de materiales como un alto grado de flexibilidad durante la optimización del material y el proceso. En la actualidad, hay doce miembros del equipo del IAM-ESS que trabajan en la sección de síntesis y tecnología de polvos cerámicos para ofrecer avances científicos orientados a la aplicación.
Para brindar su apoyo a este importante trabajo, GEA suministró al equipo de cerámica varios MOBILE MINOR®, una tecnología de secado consolidada y de referencia, ideal para aplicaciones de investigación y desarrollo.
“Los nuevos sistemas de la planta piloto de síntesis de HEMF nos permitirán trasladar las estrategias de síntesis de materiales prometedores para baterías del laboratorio a una escala de planta piloto, con el fin de fabricar y analizar celdas de baterías de gran tamaño a partir de estos nuevos materiales”, explicó el Dr. Binder. Además de estas unidades flexibles de secado por atomización a escala piloto, la sección también emplea otros pasos del proceso, como trituración, precipitación o calcinación; en un futuro próximo, se implementará la producción completa de electrodos en el Centro Tecnológico de Baterías del KIT.
Además de la investigación para síntesis de nuevos materiales de electrodos, los científicos están estudiando materiales ferroeléctricos para aplicaciones de microondas para su uso en los modernos sistemas de comunicación e información, así como en el campo de la electrónica impresa. Normalmente, una unidad se utiliza para secar por atomización los materiales ferroeléctricos de titanato de estroncio-bario (BST), mientras que las otras se emplean para los materiales de ion-litio o ion-natrio. Basándose en una larga tradición de uso con éxito de los equipos de secado por atomización de GEA, la flexibilidad adicional de los dos nuevos MOBILE MINOR® supuso un cambio de juego. Si el proyecto HEMF requiere unas prestaciones de alta capacidad, los dos nuevos equipos pueden utilizarse en paralelo.
El mayor reto de este proyecto fue evaluar junto con el equipo del KIT los pros y contras de las distintas soluciones de GEA para las actividades de I+D”.
– Gunter Philipp, Director de Ventas de GEA
“Al final, sin embargo, la flexibilidad combinada de dos sistemas independientes ganó la carrera y nos permitió entregar el prestigioso MOBILE MINOR® 2500 para actividades de I+D”, comentó Gunter Philipp. Con un diseño mejorado pero manteniendo el mismo tamaño compacto, la torre de atomización MM-100 de GEA, equipada con el nuevo y eficiente ciclón CEE (Cyclone Extra Efficiency), es la última incorporación a la gama MOBILE MINOR®.
El nuevo ciclón CEE ofrece una mayor eficacia de separación, lo que aumenta el rendimiento disponible y reduce las emisiones. Instalada en casi 2.400 plantas de todo el mundo, la torre de atomización MOBILE MINOR® es robusta, fiable y versátil. Ideal para aplicaciones de escalado de procesos, también es fácil de usar, limpiar y trasladar. El dispersor de gas universal para el atomizador rotativo, así como la boquilla de dos fluidos, pueden cambiarse fácilmente por un dispersor de gas de baja velocidad opcional —que tiene un patrón de flujo similar al de los dispersores de gas DPH utilizados en torres de atomización más grandes— para la atomización en la boquilla.
Por naturaleza, el secado por atomización es un proceso continuo que está diseñado para ofrecer tanto una alta productividad como una calidad uniforme del producto. El secado por atomización es la técnica que prefieren cada vez más empresas químicas y farmacéuticas para producir mejores materiales, sustancias en polvo e incluso medicamentos. Esta tecnología de secado ultrarrápida y delicada ofrece formas exclusivas de definir las características de las partículas.
GEA ofrece una gama de torres de atomización especialmente desarrolladas para I+D, desarrollo de productos, y producción de volúmenes pequeños. La unidad MOBILE MINOR®, fácil de operar, utiliza una rueda atomizadora para la distribución de partículas, mientras que, en instalaciones más grandes, se utiliza la boquilla combinada patentada de GEA para producir una alta calidad de producto uniforme. Este montaje permite manejar los revestimientos cerámicos o la contención de Ni, Co.
Sea cual sea la actividad, la composición de los distintos materiales y el tamaño de las partículas del polvo pulverizado deben ser precisos y reproducibles, para que los investigadores puedan comparar y evaluar los distintos materiales. “Durante nuestras investigaciones, hemos utilizado varias unidades MOBILE MINOR® para fabricar precursores homogéneos, materiales estructurados o granulados para diferentes aplicaciones de forma reproducible, lo que hasta ahora ha sido importante para nuestras pruebas e investigaciones”, añadió el Dr. Binder. Siempre mirando al futuro, el equipo está trabajando también en sistemas de almacenamiento de energía post-litio. Tenemos que permanecer atentos para ver qué surge de estas apasionantes investigaciones.
