Innovación en el revestimiento de colectores eléctricos

Utilizando un proceso especial de producción de rollo a rollo, el Fraunhofer FEP ha desarrollado una tecnología para la aplicación precisa de capas de cobre y aluminio a películas de polímero para la fabricación de colectores de corriente. La conductividad y el grosor de las capas son comparables a los de los colectores de corriente convencionales basados en láminas metálicas. Los nuevos colectores de corriente para baterías de iones de litio son más ligeros y menos inflamables que los convencionales.

Es difícil imaginar nuestro mundo moderno sin baterías de iones de litio. Nos permiten utilizar dispositivos móviles como teléfonos inteligentes, tabletas y robots aspiradores, así como la electromovilidad. Sin embargo, sus numerosas ventajas, como la alta densidad energética, el diseño compacto y la larga vida útil, se ven contrarrestadas por una desventaja decisiva: Debido a las propiedades del litio (altamente inflamable y de reacción rápida), siempre existe cierto riesgo de incendio. La sobrecarga, los daños o el sobrecalentamiento pueden provocar una liberación incontrolada de la energía almacenada. Es lo que se denomina "fuga térmica".

Películas de polímero recubiertas por ambas caras

Película de plástico recubierta de cobre mediante evaporación por haz de electrones para su uso como colector de corriente de metal-polímero para celdas debateríasEl Instituto Fraunhofer de Tecnología de Haz de Electrones y Plasma FEP trabaja en soluciones innovadoras para el recubrimiento al vacío y el tratamiento de superficies, líquidos y gases. El proceso desarrollado permite sustituir los colectores de corriente convencionales, normalmente láminas metálicas, por los denominados colectores de corriente de metal sobre polímero. Se trata de láminas de polímero recubiertas por ambas caras con una fina capa de aluminio o cobre. Estos colectores de corriente ofrecen varias ventajas: reducen el peso del colector, lo que se traduce en una mayor densidad energética de la célula. Pero aún más importante es el aspecto de la seguridad: si se produce un cortocircuito en la célula, el sustrato de polímero se funde e interrumpe el paso de la corriente. De este modo se evita la acumulación de calor y el desbordamiento térmico.

Recubrimiento por evaporación de metales

El proceso se desarrolló en el marco del proyecto PolySafe, financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación alemán (BMBF). Las capas metálicas se aplican a las películas poliméricas mediante vaporización por haz de electrones. Claus Luber, director técnico del proyecto, explica: "El reto consistía en diseñar las películas poliméricas y el proceso de recubrimiento de forma que se pudiera garantizar un grosor del colector de corriente comparable al de las películas metálicas actuales y una conductividad eléctrica óptima de la capa metálica." El objetivo era comprender de forma holística la influencia de los parámetros del recorrido de la cinta, el pretratamiento del sustrato y la evaporación del metal, y desarrollar los ajustes óptimos del proceso para cumplir los requisitos tecnológicos y económicos. Otro reto era minimizar la carga térmica durante el proceso de deposición, lo que se consiguió utilizando un método de refrigeración especial: un rodillo de refrigeración por gas de Von Ardenne GmbH. Esta solución garantiza una alta calidad de la película y una elevada productividad.

Resultados del desarrollo del proceso

El equipo de investigación pudo demostrar con éxito la deposición de capas gruesas de cobre y aluminio sobre películas de PET de 12 µm de espesor. La deposición se llevó a cabo en un proceso rollo a rollo sobre una anchura de rollo de hasta 60 cm. Los resultados son los siguientes

Cobre:

Recubrimiento por ambas caras mediante un proceso de dos pasos con capas de cobre de hasta 1 µm de espesor por cada cara; la capa de cobre apareció compacta y la película quedó

de cobre de hasta 1 µm de grosor por cada cara; la capa de cobre parecía compacta y la película se mantenía sin arrugas significativas, ideal para su posterior procesamiento en la producción de baterías.

Aluminio:

Recubrimiento por ambas caras mediante un proceso en dos fases con capas de aluminio de hasta 1 µm de grosor por cada cara. También en este caso, la película se mantuvo sin arrugas, lo que confirma su idoneidad para el procesamiento posterior para el recubrimiento de electrodos.

Éxito en la producción de células de bolsa

El socio del proyecto, la Universidad Técnica de Braunschweig, integró con éxito los colectores de corriente de metal-polímero fabricados con la nueva tecnología en celdas de bolsa. Se comprobaron las propiedades electroquímicas de estas células y se compararon con las células de referencia convencionales. En estas pruebas, las pilas con los colectores de corriente de metal-polímero demostraron un rendimiento y una estabilidad de ciclo similares a los de las pilas de referencia a diferentes velocidades de carga y descarga.