El objetivo de este proyecto es el de desarrollar las mejores placas bipolares para pilas de automoción con mayor resistencia a la corrosión y durabilidad, en cumplimiento de objetivos comerciales coste – eficacia.
Con el apoyo del 7º Programa Marco de la Comisión Europea en el contexto de la asociación pública y privada, Joint Undertaking de las pilas de combustible e hidrógeno (FCH-JU), el proyecto tiene un carácter multidisciplinar que implica esfuerzos conjuntos de especialistas de diversas áreas: química, física, ciencia de materiales e ingeniería de células de combustible. El consorcio está integrado por cinco organizaciones más: Commissariat à l’énergie atomique et aux energies alternatives (France), Borit NV (Belgium), Impact Coatings AB (Sweden), SymbioFCell SA (France) y el Institut National des Sciences Appliquées de Lyon – INSA Lyon (France); combinando la experiencia colectiva de proveedores de placas bipolares y de revestimiento, integradores de sistemas y los institutos de investigación y consiguientemente eliminando las desconexiones críticas entre las partes interesadas.
Los objetivos científicos de este proyecto son la elaboración y caracterización de nuevas placas bipolares funcionales de bajo coste, altamente resistentes a la corrosión y de baja resistencia al contacto. El proyecto COBRA proporciona los siguientes beneficios específicos:
– Especificaciones de placas bipolares en base a los requisitos del sistema OEM acordados;
– Rendimiento y durabilidad compatible con los más estrictos requisitos de la industria automovilística;
– Se llevarán a cabo estudios post mortem, fenómenos de modelado y simulación de envejecimiento;
– El desarrollo del componente, la célula y el nivel de pila son testados en condiciones de funcionamiento normal por institutos de investigación altamente calificados y socios industriales
– El testeo en condiciones marinas y automovilísticas se realizará sobre el terreno con sistemas de pilas de combustible
La última reunión del consorcio se llevó a cabo en abril en las instalaciones de CIDETEC, donde se analizaron los últimos resultados y se establecieron los pasos a seguir. Parte de la investigación llevada a cabo durante el proyecto va a ser difundida en colaboración con el INSA en el Congreso Europeo de Corrosión 2016 (EUROCORR, septiembre de 2016).
Energy Storage
Una investigación basada en una innovadora técnica producida íntegramente en el País Vasco entre Polymat, Ikerbasque e CIDETEC y financiada por el Gobierno Vasco, supone un punto de inflexión en el campo de las celdas solares basadas en perovskitas. La investigación, basada en la innovadora técnica «Fullerene Saturation Approach», consigue eficiencias de conversión energética similares o superiores a las existentes actualmente y reduce considerablemente el coste energético facilitando su posterior comercialización. La publicación derivada de los resultados de la investigación ha sido calificada como VIP (Very Important Paper) por la revista ChemSusChem, una categoría reservada a las investigaciones altamente innovadoras, que han sido largamente esperadas por la comunidad científica y llevan a una nueva teoría o mecanismo.
La energía solar es probablemente la mejor alternativa al uso de los combustibles fósiles, ya que la Tierra recibe en tan solo una hora toda la energía que requiere actualmente toda la población mundial durante un año. El reto que se plantea es el de poder transformar toda esa energía solar en energía eléctrica de una forma eficiente. Una investigación producida íntegramente en el País Vasco entre Polymat, Ikerbasque e CIDETEC supone un punto de inflexión en una tecnología que permitirá alcanzar este reto.
Actualmente más del 85% del mercado fotovoltaico corresponde a módulos basados en obleas de Silicio que muestran eficiencias de conversión energética alrededor de 15%. Esta tecnología, presenta unos costes todavía altos con respecto a los métodos de producción de electricidad convencionales y una eficiencia de conversión energética ciertamente mejorable.
En los últimos años, las celdas solares basadas en perovskitas -clasificadas por la prestigiosa revista Science entre los 10 avances científicos más significativos del 2013- han demostrado un gran potencial, alcanzando eficiencias de conversión energética superiores a 22%. No obstante, algunos de los materiales propuestos presentan todavía algunas limitaciones, especialmente en cuanto a robustez se refiere, y por tanto son susceptibles de mejora.
Entre los componentes habituales de una celda solar de perovskita, se encuentra (Figura A) una capa transportadora de electrones y bloqueadora de cargas positivas (huecos) -Dióxido de Titanio (TiO2)-, la perovskita híbrida CH3NH3PbI3 -material captador de luz solar-, y otra capa transportadora de huecos y bloqueadora de electrones -el material orgánico Spiro-MeOTAD-.
El Dióxido de Titanio utilizado en estas celdas necesita un proceso térmico conocido como “sintering” a altas temperaturas (~500 ° C), que implica un coste energético difícil de asumir en una futura comercialización de estas celdas solares. Además, estas temperaturas son incompatibles con el uso de sustratos plásticos y sus consecuentes ventajas de cara al desarrollo de dispositivos fotovoltaicos flexibles y de fácil integración.
En la investigación llevada a cabo por investigadores de Ikerbasque, del Polymat y de CIDETEC y publicada por la revista ChemSusChem se propone una técnica simple, barata e innovadora, consistente en la utilización de Fullerenos en disolución en lugar de Dióxido de Titanio (Figura B). Mediante esta técnica innovadora, bautizada como “Fullerene Saturation Approach” se consiguen eficiencias de conversión similares o superiores a las construidas con Dióxido de Titanio, evitando el elevado coste energético asociado al proceso de sintering.
Adicionalmente, el uso del “Fullerene Saturation Approach” permite el uso de sustancias químicas tales como el (70) fullereno, que a priori, no cumplen los requisitos de procesabilidad, ópticos y electrónicos necesarios para conseguir dispositivos eficientes. Contrariamente a lo esperado los dispositivos generados con (70) fullereno muestran eficiencias similares a las descritas para celdas construidas Dióxido de Titanio, lo que avanza la posible introducción de una gran variedad de moléculas orgánicas que inicialmente se habían excluido debido a sus características optoelectrónicas.
Por último, la fabricación de celdas solares mediante tecnologías de química húmeda de fullerenos, permite la preparación de dispositivos flexibles, que podrían ser incorporados sobre cualquier tipo de superficie.
Todas estas ventajas, hacen que esta investigación financiada por el Gobierno Vasco mediante el proyecto “Solutions” PC2015-1-03 (16-79), y llevada a cabo en colaboración entre Polymat, Ikerbasque e CIDETEC, suponga un punto de inflexión en el campo de las celdas solares basadas en perovskitas. Parte de estos resultados han sido recientemente publicados en la revista ChemSusChem “Efficient Regular Perovskite Solar Cells Based on Pristine (70) Fullerene as Electron Selective Contact”, ChemSusChem 2016, DOI: 10.1002/cssc.201600051 y calificados con la distinción de “Very Important Paper (VIP)”
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201600051/full
Más información:
Ramón Tena – CIDETEC (rtena@cidetec.es)
El proyecto europeo GREENLION “Advanced Manufacturing Processes for Low Cost Greener Li-ion Batteries” (Procesos de fabricación avanzada para baterías de Litio-ión más ecológicas y de bajo coste) finalizó el 31 de octubre de 2015 con la exitosa consecución de la mayoría, si no todos, de sus hitos. Unos días antes, CIDETEC, coordinador del proyecto, acogió la reunión final del consorcio. También se organizó como evento de clausura un seminario industrial abierto al público bajo el epígrafe “Hacia las baterías avanzadas y verdes: realidades y expectativas”. El Profesor Stefano Passerini (KIT-HIU), uno de los promotores del proyecto e investigador de referencia en el campo de baterías innovadoras, fue invitado a dar una charla plenaria donde compartió su visión de futuro.
Aprovechando esta oportunidad, tuvimos la ocasión de entablar una conversación relajada con él para hacer balance del proyecto y charlar sobre sus opiniones y visión tecnológica en este campo.
Pregunta: ¿Cuáles son los resultados que destacaría del proyecto GREENLION? ¿Qué resultados diría que tienen más posibilidades de ser utilizados o explotados en el corto plazo?
Stefano Passerini: Uno de los resultados más destacables de GREENLION es el desarrollo y la demostración en planta piloto de la fabricación de electrodos de Li-ion utilizando tintas en base acuosa, es decir, eliminando el uso de compuestos orgánicos volátiles como NMP (N-metil pirrolidona) como disolvente, lo que permite la producción más barata y ecológica de las baterías. Cuando se propuso y comenzó el proyecto hace ya 4 años, apenas había trabajos sobre formulaciones de electrodos en base acuosa ya que presenta grandes retos, especialmente en el cátodo. GREENLION ha establecido una tendencia en la investigación y desarrollo de electrodos de Li-ion mediante procesado acuoso y demostrado su viabilidad en producción.
Otro punto a mencionar es que se han alcanzados logros a lo largo de toda la cadena de valor de producción de baterías gracias al trabajo conjunto del consorcio que ha abarcado desde la investigación básica de materiales hasta la ingeniería del módulo de batería: se han fabricado rollos de electrodos con más de 300 metros de longitud con los que se han ensamblado más de 150 celdas y han permitido el diseño y realización de módulos de batería más baratos, de fácil montaje y desmontaje y con menor impacto medioambiental.
P: ¿Cuáles son las tendencias de investigación más prometedoras en el corto y medio plazo respecto a tecnologías avanzadas de baterías tanto para vehículo eléctrico como para almacenamiento estacionario a gran escala?
SP: Recientemente ha crecido el interés en las denominadas tecnologías post-Litio, incluyendo baterías de Li-aire y Li-S que prometen muy altas capacidades de almacenamiento de energía. El interés sigue siendo alto en estas tecnologías, pero los tiempos de desarrollo resultan demasiado prolongados para la industria automotriz. Por lo tanto los roadmaps a corto y medio plazo de este sector se centran en tecnologías avanzadas de Li-ión, más concretamente en nuevos materiales electródicos de alta capacidad o alto voltaje, así como en el desarrollo práctico de electrolitos sólidos especialmente para habilitar la tecnología de Li-aire. Como ejemplo de tecnología innovadora presentada en el Seminario, las baterías de Na-ión puede ser una alternativa competitiva y muy barata al Li-ion usando los mismos principios electroquímicos y procesos de fabricación y gracias a la abundancia del sodio. Dado que la tecnología se encuentra en la etapa de investigación en materiales, existe todavía mucho margen de desarrollo y escalado que realizar en la próxima década para llevarla al mercado, principalmente en aplicaciones de almacenamiento de energía estacionaria a gran escala, debido a su menor densidad energética. En un horizonte a largo plazo existen otras tecnologías interesantes como electrodos semi-sólidos o fluidos, combinando conceptos de baterías de flujo o empleando agua de mar como catolito, que todavía deben ser probadas en el laboratorio.
P: En su opinión, ¿cuál es el presente y el futuro de la industria de fabricación de baterías en Europa? ¿Cómo podemos llevar los desarrollos de proyectos como GREENLION a la industria?
SP: La industria europea parece haber abandonado la fabricación de celdas de Li-ión de gran formato, actividad para la cual se han desarrollado algunos de los resultados de GREENLION. Las empresas de automoción se han centrado en el montaje de los packs de baterías a partir de celdas asiáticas, tras algunas joint ventures fallidas en los últimos 4 años y mientras la demanda de vehículos eléctricos es todavía baja. Ahora estamos observando una situación paradójica respecto a las baterías en Europa: existe una sólida formación científica en electroquímica, con una red de investigación y desarrollo en baterías muy amplia y activa (universidades, institutos tecnológicos y laboratorios nacionales de investigación), productores de materiales para baterías (PYMEs y grandes empresas químicas) y un mercado enorme de usuarios finales en automoción y almacenamiento estacionario. Sin embargo, hay muy pocas empresas con capacidad de fabricar baterías, generando un gran hueco en la cadena de valor. A pesar de esto, las perspectivas en otros aspectos en el campo de las baterías son marcadamente positivas: tanto los fabricantes europeos de materiales para baterías como los ensambladores de baterías completas están aumentando sus capacidades y ventas en todo el mundo, generando así una mayor demanda de materiales innovadores y soluciones de ingeniería, en los que Europa tiene un sólido fundamento científico y técnico.
Es de esperar que la creciente demanda de baterías avanzadas por parte del mercado de almacenamiento de energía estacionaria y el desarrollo de nuevas químicas también traigan de vuelta el interés por parte de la industria para producir en Europa baterías de Li-ión avanzadas y otras nuevas tecnologías de baterías. Para que esto sea cierto, proyectos de investigación aplicada como GREENLION son cruciales para que los conocimientos avanzados sobre técnicas de procesado de materiales para baterías se desarrollen y propaguen, en última instancia, en beneficio de la industria.
P: Y, por último, Stefano, ¿cómo cree que ha realizado CIDETEC la dura tarea de coordinación técnica de un gran consorcio en el que han participado 16 socios internacionales? ¿Alguna sugerencia de mejora para la próxima vez?
SP: CIDETEC ha contribuido a los buenos resultados de GREENLION en el papel de coordinador, no sólo supervisando el grado de avance, orientando y empujando a los socios hacia los objetivos del proyecto sino también facilitando el trabajo de los socios dentro del proyecto. Valoro muy positivamente la competencia técnica del equipo de CIDETEC en baterías y especialmente el nivel de implicación, esfuerzo adicional y recursos cubiertos por CIDETEC cuando han surgido problemas técnicos. Mantendré esta colaboración y relación de éxito a través de otros proyectos y propuestas europeas.
P: Muchas gracias Stefano por su amable atención y fructífera participación en el proyecto. Esperamos verle pronto persiguiendo nuevos retos.
SP: De nada, ha sido un verdadero placer.
Stefano Passerini. Instituto Helmholtz Ulm, Instituto de Tecnología de Karlsruhe. Ulm, Alemania
El Prof. Passerini lleva trabajando en el desarrollo de materiales y sistemas de almacenamiento de energía electroquímica durante casi 30 años. Su investigación se centra en la comprensión y desarrollo de materiales para baterías de litio, tales como líquidos iónicos, electrolitos poliméricos y materiales de electrodo. Es co-autor de más de 300 publicaciones revisadas por pares (Índice-H = 52), varios capítulos de libros y patentes.
En la actualidad su grupo de investigación asciende a más de cuarenta investigadores Postdoctorales y estudiantes de doctorado, y participa en proyectos de investigación financiados por la Unión Europea, BMBF (Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación), la Sociedad Helmholtz y la industria.
En 2012, el Profesor Passerini recibió el Premio de Investigación de la División de Baterías de la Sociedad Electroquímica. A partir de enero de 2014, es Editor en Jefe de la revista Journal of Power Sources, tras tres años como Editor Europeo.
La reunión de cierre del proyecto GREENLION ha servido para presentar los importantes hitos técnicos alcanzados en el proyecto, con clara aplicación industrial en el ámbito del almacenamiento de energía.
CIDETEC, en calidad de coordinador, ha acogido la reunión de cierre del proyecto europeo GREENLION. El proyecto, con un presupuesto global de 8.6M€ y cofinanciado por el 7º Programa Marco de investigación europeo, ha tenido por objetivo el desarrollo de una serie de tecnologías de diseño y fabricación de baterías de ion litio de altas prestaciones orientadas al vehículo eléctrico, siempre bajo criterios de ecodiseño, minimización del impacto medioambiental y reciclabilidad.
El proyecto GREENLION ha contado con la participación de un total de 17 socios europeos de siete nacionalidades distintas. La fuerte orientación práctica de este proyecto ha quedado avalada por la presencia de hasta 11 socios industriales en el consorcio, complementados por seis entidades tecnológicas de primer nivel europeo e internacional. CIDETEC, además de la coordinación general del proyecto y, como referente en sistemas de almacenamiento de energía, ha aportado su reconocida experiencia en aspectos de diseño, fabricación y evaluación de baterías, trabajando en estrecha colaboración con los diferentes socios.
Los objetivos del proyecto se han cumplido en su totalidad, tal y como atestiguan algunos de los hitos alcanzados:
- Se ha puesto a punto una tecnología de fabricación de electrodos en base de agua, evitando el uso de disolventes orgánicos.
- Se han fabricado más de 150 celdas de hasta 20Ah haciendo uso de las tecnologías desarrolladas en el proyecto.
- Se ha realizado un ecodiseño del battery pack facilitando el desmontaje de cara a la posterior reutilización de las celdas o su reciclado, incluyendo un diseño virtual de una línea de ensamblaje automatizada.
- Se han ensamblado un total de 6 battery packs totalmente funcionales, a partir de las baterías y electrónica de control desarrollada en el proyecto, siguiendo criterios de diseño de automoción.
- Se ha realizado un completo análisis del ciclo de vida de las baterías desarrolladas, que demuestra el menor impacto medioambiental de las tecnologías y procesos de fabricación utilizados.
Cabe destacar así mismo las 7 patentes, 20 publicaciones científico-técnicas y más de 50 comunicaciones a congresos que se han generado a partir de los resultados del proyecto.
Como colofón final del proyecto, CIDETEC ha organizado un workshop industrial titulado “Hacia las baterías avanzadas ecológicas: realidades y expectativas”. En este evento, abierto al público, se ha contado con la participación de algunos de los socios del proyecto, incluyendo empresas como SOLVAY o SEAT, así como ponentes invitados en representación de entidades destacadas de la CAPV en el ámbito de la electromovilidad tales como IBIL o IRIZAR.
Más información:
Presencia destacada de CIDETEC en el congreso internacional ABBAA, foro de expertos en baterías para automoción
Del 30 de septiembre al 2 de Octubre ha tenido lugar en Bilbao el congreso internacional ABAA -«8th International Conference on Advanced Lithium Batteries for Automobile Applications”- que es la primera vez que se celebra a nivel nacional y ha atraído a más de 300 expertos en baterías para automoción de todo el mundo.
CIDETEC ha tenido una presencia destacada en este evento a través de cuatro investigadores del equipo de baterías que han presentado un total de seis comunicaciones. En ellas se han expuesto algunos de los últimos resultados obtenidos en baterías avanzadas de litio ión, litio-azufre, modelado de baterías, o caracterización y prevención de fenómenos degradativos.
Uno de los resultados más característicos mostrados por los investigadores de CIDETEC y que refleja el estado actual de sus desarrollos, son los resultados de prestaciones y ciclabilidad obtenidos en prototipos de TRL alto (6-7) de baterías de litio ión diseñadas y fabricadas totalmente en CIDETEC.
Estos resultados destacan por la elevada ciclabilidad a regímenes de funcionamiento elevados, y constituyen toda una promesa de cara a la mejora de la potencia y durabilidad de las baterías de litio ion en todo tipo de aplicaciones, como el vehículo eléctrico. A destacar el hecho de que dicha tecnología se fundamenta en el procesado de las baterías en ausencia de disolventes orgánicos, abaratando los costes de fabricación y haciendo el proceso más sostenible, tal y como se mencionaba más arriba.
Como se muestra en la siguiente gráfica, se han demostrado más de 6500 ciclos en régimen de carga/descarga rápida (1C/1C; 100%-0% DOD) sobre prototipos de celda de litio ion de 1,5 AH fabricados en CIDETEC con una retención de la capacidad superior al 80% -esta cifra se considera convencionalmente el final de la vida útil de una batería en aplicaciones de electromovilidad-:
Por su parte –gráfica siguiente-, en condiciones de descarga de alta potencia (1C/4C, esto es, multiplicando por cuatro la velocidad de descarga con respecto a la anterior) se consiguen casi 2500 ciclos antes de alcanzarse el punto definido del 80% de la capacidad inicial:
En la imagen adjunta se muestra el tipo de batería fabricada en CIDETEC con el que se han demostrado estos resultados:
Otra conclusión destacable es que, incluso después de más de 9000 ciclos en condiciones muy exigentes, aún se conserva un 70% de la capacidad inicial; es decir, las baterías mantienen todavía una alta capacidad útil tras un número elevado de ciclos. Este hecho abre las puertas a una aplicabilidad real de las baterías en segundos usos, prolongando por tanto de manera efectiva su vida útil y abriendo nuevas oportunidades de negocio, antes de someterlas al proceso final de reciclado.
