El primer sistema de baterías de iones de aluminio de alta potencia del mundo para el almacenamiento de energía

De ESS News

En un hito para la tecnología de baterías sin litio, el proyecto colaborativo de I+D INNOBATT, dirigido por el Instituto Fraunhofer de Sistemas Integrados y Tecnología de Dispositivos (IISB), ha completado un demostrador de sistema de baterías basado en baterías de aluminio-grafito-ion doble (AGDIB). El demostrador confirma la estabilidad de esta nueva química de celdas no solo en condiciones de laboratorio, sino también en escenarios operativos realistas.

La batería recargable de iones de aluminio es una tecnología de almacenamiento de energía rentable y no inflamable que utiliza materiales activos fácilmente obtenibles: aluminio y grafito. Con grafito natural como material catódico, las celdas AGDIB pueden alcanzar densidades energéticas de 160 Wh/kg y densidades de potencia superiores a 9 kW/kg. Como dispositivo de almacenamiento de alta potencia, las baterías de iones de aluminio pueden cargarse y descargarse rápidamente a altas tasas de C, lo que permite aplicaciones de respuesta rápida.

Según Fraunhofer IISB, la química reversible permite más de 10 000 ciclos con una profundidad de descarga (DoD) del 100 % en celdas de prueba de laboratorio, con una eficiencia coulómbica de casi el 100 % y una eficiencia energética superior al 85 %. Las celdas tipo bolsa multicapa resistentes a la corrosión desarrolladas para las baterías de iones de aluminio tienen capacidades de hasta 200 mAh, alcanzando más de 1000 ciclos para celdas de 4 capas y 200 mAh a 6 C y más de 7000 ciclos para celdas de una sola capa y 30 mAh a 30 C.

Con estas capacidades, las baterías de iones de aluminio muestran un gran potencial para aplicaciones móviles estacionarias e híbridas, en particular como sistemas USP y dispositivos de almacenamiento de alto rendimiento para la estabilización dinámica de la red, donde los microciclos frecuentes de baja energía exigen una alta potencia en lugar de una alta densidad energética.

Aunque muchas nuevas tecnologías de baterías sin litio siguen estando a escala de laboratorio, los demostradores a nivel de sistema son poco frecuentes. Dentro del proyecto INNOBATT, se ha creado un demostrador de sistema de batería completo tras la ampliación previa de la tecnología AGDIB a celdas tipo bolsa de pequeño tamaño, según informó Fraunhofer IISB a finales de noviembre. El desarrollo se centró en toda la cadena de valor: química sostenible de celdas sin litio, integración de un sistema de gestión de baterías (BMS) inalámbrico, detección de corriente bidireccional basada en la cuántica y reciclabilidad.

En un caso de prueba realista, el demostrador integra ocho celdas tipo bolsa AGDIB con un BMS inalámbrico basado en la plataforma de código abierto foxBMS®, que cuenta con comunicación RF segura y un sensor cuántico basado en diamantes para la medición de corriente de alta resolución.

Se optimizaron los materiales activos y el diseño de las celdas para mejorar la estabilidad, la confiabilidad y la reproducibilidad. El módulo de batería se montó en una configuración 4s2p, con un BMS esclavo que se comunica de forma inalámbrica con el BMS maestro. El sensor cuántico, basado en centros NV en diamante, mide corrientes de más de cinco órdenes de magnitud, capturando con alta precisión tanto corrientes dinámicas pequeñas como grandes.

Este sistema valida con éxito las capacidades de alta potencia de la química AGDIB para la estabilización de la red, según Fraunhofer IISB. Los resultados observados anteriormente a nivel de célula se confirmaron a nivel de módulo utilizando datos de frecuencia real para emular aplicaciones de reserva instantánea. El sistema mantuvo un rendimiento estable bajo cargas dinámicas de alta corriente a 10 °C, lo que demostró la escalabilidad de AGDIB a través de la fabricación, interconexión e integración de sistemas de células. A diferencia de muchos sistemas de baterías convencionales, AGDIB admite tasas de carga y descarga muy altas, lo que lo hace muy adecuado para aplicaciones como proporcionar inercia virtual a la red.

La reciclabilidad fue una consideración fundamental durante todo el desarrollo. Los materiales de las celdas pueden separarse físicamente sin productos químicos tóxicos, lo que permite ciclos de materiales cerrados. El diseño del módulo sigue una estrategia de diseño para el reciclaje, superando los requisitos reglamentarios actuales de la UE en materia de eficiencia de reciclaje de baterías y mostrando un sistema de almacenamiento de energía sostenible y preparado para el futuro.

Aunque se están investigando muchas tecnologías nuevas de baterías sin litio a escala de laboratorio, los demostradores de sistemas de baterías que emplean nuevas composiciones químicas siguen siendo poco comunes. Sin embargo, según informó a finales de noviembre el Instituto Fraunhofer IISB, líder del consorcio del proyecto INNOBATT, ahora se ha creado un demostrador de este tipo de sistema de baterías basado en AGDIB dentro del proyecto INNOBATT, tras haber adaptado primero la tecnología a celdas tipo bolsa de pequeño tamaño en proyectos de investigación anteriores. El desarrollo de este innovador sistema de baterías se centra en toda la cadena de valor, desde una química sostenible de celdas sin litio hasta la integración de un sistema de gestión de baterías (BMS) inalámbrico y tecnologías de sensores de corriente bidireccionales basadas en la cuántica, pasando por consideraciones de reciclabilidad.

En un caso de prueba realista, el demostrador INNOBATT demuestra la estabilidad de las celdas de batería de nuevo tipo. El prototipo, que integra ocho celdas tipo bolsa AGDIB con un BMS inalámbrico basado en la plataforma BMS de código abierto foxBMS® de Fraunhofer IISB con comunicación segura por radiofrecuencia (RF), también cuenta con un novedoso sensor cuántico basado en diamantes para la medición de corriente de alta resolución.

Se mejoraron los materiales activos y el diseño de las celdas AGDIB para aumentar la estabilidad y la fiabilidad de las celdas y garantizar métricas de rendimiento reproducibles. Esto permitió una adecuada adaptación de las celdas a pesar de la tecnología de fabricación manual. El módulo de batería se montó en una configuración 4s2p, empleando un BMS-Slave con una comunicación RF inalámbrica segura con el BMS-Master. El sensor cuántico se basa en centros NV en diamante. En comparación con los sensores de corriente convencionales, el rango de medición abarca cinco órdenes de magnitud. En consecuencia, se pueden medir corrientes dinámicas pequeñas y grandes con una resolución muy alta.

Este sistema de baterías valida con éxito la química de las celdas basadas en iones de aluminio y sus capacidades de alta potencia para aplicaciones de estabilización de la red. Los resultados obtenidos anteriormente a nivel de celda pudieron verificarse en todo el módulo de batería mediante la emulación de aplicaciones de reserva instantánea basadas en datos de frecuencia reales. El sistema demuestra un rendimiento estable con cargas dinámicas de alta corriente a 10C durante largos periodos de tiempo y, por lo tanto, demuestra la capacidad de AGDIB para ampliar su escala mediante la fabricación exitosa de celdas, la interconexión de celdas y la integración de sistemas. Una ventaja importante de AGDIB es que permite tasas de descarga muy altas y, a diferencia de muchos sistemas de baterías establecidos, también altas tasas de carga, como se requiere para las aplicaciones de red (por ejemplo, proporcionar inercia virtual).

Durante el desarrollo se tuvo muy en cuenta la reciclabilidad de las celdas y los módulos. La reciclabilidad de las celdas se evaluó mediante un proceso de separación física que elimina el uso de productos químicos tóxicos, lo que facilita el establecimiento de ciclos de materiales cerrados. El diseño del módulo siguió una estrategia de diseño para el reciclaje, superando los requisitos reglamentarios actuales de la UE en materia de eficiencia en el reciclaje de baterías y dando lugar al avance y la demostración de este sistema sostenible de almacenamiento de energía.

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