- El instituto emplea herramientas avanzadas de simulación y modelado para abordar el deterioro mecánico que experimentan los materiales activos durante el funcionamiento de las baterías.
IMDEA Materiales participa en MADBAT (Madrid Batería Competitiva, Segura y Sostenible), una iniciativa financiada por la Comunidad de Madrid destinada a impulsar una nueva generación de baterías de ion-litio más eficientes, seguras y sostenibles.
Coordinado por Tolsa y enmarcado en el Battery Innovation Hub, el proyecto reúne a empresas, centros de investigación y universidades para reforzar la cadena de valor regional en tecnologías de almacenamiento electroquímico.
Dentro del consorcio, IMDEA Materiales aporta su experiencia en simulación avanzada, modelado multifísico y desarrollo de materiales para afrontar uno de los principales desafíos de la próxima generación de baterías: los daños mecánicos que pueden provocar los cambios de volumen experimentados por los materiales activos durante los procesos de carga y descarga.
“La mayor parte de los materiales activos de las baterías presentan cambios de volumen debido a la intercalación de iones, que es el mecanismo físico inherente a su funcionamiento”, explica el Dr. Eduardo Roque, investigador postdoctoral del Grupo de Simulación Multiescala de Materiales.
“Estos cambios generan tensiones internas que pueden provocar la aparición de grietas y otros procesos de degradación, reduciendo tanto el rendimiento como la vida útil de los dispositivos”.
Este problema resulta especialmente relevante en el caso del silicio, uno de los materiales más prometedores para los ánodos de las baterías de próxima generación. Su capacidad teórica de almacenamiento de energía puede llegar a ser hasta diez veces superior a la del grafito utilizado actualmente, lo que permitiría aumentar significativamente la autonomía de los vehículos eléctricos.
Además, se trata de un material abundante, lo que podría contribuir a reducir la dependencia europea de materias primas críticas. Floatech, el primer spin-off de IMDEA Materiales y socio del proyecto MADBAT, es uno de los líderes mundiales en el desarrollo de estos ánodos de silicio.
Sin embargo, el uso del silicio también plantea importantes limitaciones. Durante su funcionamiento, la batería puede experimentar cambios de volumen de hasta un 300 %, lo que favorece la aparición de daños mecánicos que limitan su utilización comercial.
«Superar esta limitación supondría un paso fundamental para la utilización del silicio en baterías destinadas a aplicaciones reales,” explica el Dr. Roque.
Para abordar este reto, IMDEA Materiales desarrollará modelos computacionales avanzados capaces de predecir el comportamiento de los materiales y de las baterías a diferentes escalas, desde las partículas activas individuales hasta el funcionamiento de la celda completa.
“Estas herramientas permitirán simular el hinchamiento de los materiales, analizar los mecanismos de fractura que aparecen durante el uso y establecer criterios de diseño para minimizar la degradación mecánica, dice el Dr. Roque.
“Así, será posible tomar decisiones de diseño incluso antes de fabricar los electrodos, reduciendo drásticamente el número de experimentos necesarios y acelerando el desarrollo de nuevas tecnologías”.
El trabajo se llevará a cabo principalmente desde el grupo de Simulación Multiescala de Materiales, liderado por el Prof. Javier Segurado, que cuenta con una amplia experiencia en modelización multifísica y multiescalar aplicada a materiales avanzados.
El instituto también participará en actividades experimentales para obtener parámetros materiales y validar los modelos desarrollados.
Estos trabajos se realizarán en colaboración con el Grupo de Nanocomposites Multifuncionales, liderado por el Dr. Juan José Vilatela, e IMDEA Energía, formando un equipo multidisciplinar capaz de abordar los retos de los materiales para baterías desde una perspectiva teórica, numérica y experimental.
El consorcio de MADBAT está integrado por Tolsa, Moeve, IMDEA Energía, IMDEA Materiales, la Universidad Rey Juan Carlos, Floatech, B5Tec y Empirical Advances, y cuenta con el apoyo de un consejo asesor industrial formado por Stellantis, Ricardo y Técnicas Reunidas.