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Charge, discharge, repeat: after 1,000 cycles, Fraunhofer ISE's silicon-rich pouch cells still held over 83% of their original capacity. The institute reports the result from 25 Ah cells built in its cleanroom in Freiburg, Germany, on a semi-automatic production line using commercially available electrode foils.
Cargar, descargar, repetir: tras 1.000 ciclos, las celdas de bolsa ricas en silicio de Fraunhofer ISE seguían conservando más del 83 % de su capacidad original. El instituto presenta el resultado obtenido con celdas de 25 Ah fabricadas en su sala limpia de Friburgo, Alemania, en una línea de producción semiautomática y con láminas de electrodo disponibles comercialmente.
The cells pair a silicon-carbon and graphite anode with a nickel-rich nickel-manganese-cobalt (NMC) cathode. The silicon-carbon composite makes up 51% of the anode's active material. The anodes reached more than 1,000 mAh/g, a measure of how much charge the material holds per gram. Cycle life is the hurdle that has kept silicon out of mass production, and Lukas Dold, team leader for battery materials technology and scaling at Fraunhofer ISE, said that more than 1,000 cycles with at least 80% retention is considered an important performance target.
Las celdas combinan un ánodo de silicio-carbono y grafito con un cátodo de níquel, manganeso y cobalto (NMC) rico en níquel. El compuesto de silicio-carbono representa el 51 % del material activo del ánodo. Los ánodos alcanzaron más de 1.000 mAh/g, una medida de la carga que el material almacena por gramo. La vida útil en ciclos es el obstáculo que ha impedido que el silicio llegue a la producción en masa. Lukas Dold, responsable del equipo de tecnología de materiales para baterías y escalado en Fraunhofer ISE, explicó que más de 1.000 ciclos con una retención de al menos el 80 % se considera un objetivo de rendimiento importante.
The cells reached 280 Wh/kg at cell level, a figure measured in the institute's non-optimized PrecISE research format. Dold said an industrially optimized pouch format is expected to reach about 330 Wh/kg. That is an expectation, not a measurement, and the institute gives no date for it.
Las celdas alcanzaron 280 Wh/kg a nivel de celda, una cifra medida en el formato de investigación no optimizado PrecISE del instituto. Dold afirmó que se espera que un formato de bolsa optimizado industrialmente alcance unos 330 Wh/kg. Se trata de una previsión, no de una medición, y el instituto no ofrece ninguna fecha para ello.
Pressure turned out to matter. The cells were cycled at two axial contact pressures, 300 kPa and 1,000 kPa, and the 83% figure applies only to the 1,000 kPa cells. At 300 kPa, Marc Kissling, group leader for battery cell production and technology evaluation, said usable capacity fell significantly faster, especially during 1C operation, meaning charging or discharging the full capacity in one hour. Fraunhofer ISE did not publish a retention figure for those cells. It also found that, as the cells aged, capacity measured at low discharge rates drifted away from the capacity available during regular 1C cycling, which is why the institute says real operating conditions must be weighed alongside retention.
La presión resultó ser un factor decisivo. Las celdas se sometieron a ciclos con dos presiones de contacto axiales, de 300 kPa y de 1.000 kPa, y la cifra del 83 % solo corresponde a las celdas de 1.000 kPa. A 300 kPa, Marc Kissling, responsable del grupo de producción y evaluación tecnológica de celdas de batería, señaló que la capacidad útil disminuyó significativamente más deprisa, sobre todo durante el funcionamiento a 1C, es decir, cargando o descargando toda la capacidad en una hora. Fraunhofer ISE no publicó una cifra de retención para esas celdas. El instituto también comprobó que, a medida que envejecían, la capacidad medida a tasas de descarga bajas se alejaba de la capacidad disponible durante los ciclos habituales a 1C, por lo que considera que las condiciones reales de funcionamiento deben valorarse junto con la retención.
For carmakers, grid operators and aerospace firms, the promise is a battery that stores more energy in the same mass. The partners name stationary storage of surplus solar and wind power as a target, alongside electric mobility and aerospace. The StrOboBatt project, led by PCC Thorion with Fraunhofer ISE, Glatt Ingenieurtechnik, LG Chem Europe, E-Lyte Innovations and UniverCell Holding, is scheduled to run for three years and received €2.6 million in federal funding. Fraunhofer ISE also argues that silicon-carbon composites could reduce global dependence on graphite and move part of the raw-material value chain toward the European Union. Those benefits depend on the 330 Wh/kg industrial format arriving, and on the cells holding up outside a cleanroom, which the institute has not yet shown.
Para los fabricantes de automóviles, los operadores de redes eléctricas y las empresas aeroespaciales, la promesa es una batería que almacene más energía con la misma masa. Los socios citan como objetivo el almacenamiento estacionario de los excedentes de energía solar y eólica, junto con la movilidad eléctrica y la aeronáutica. El proyecto StrOboBatt, dirigido por PCC Thorion junto con Fraunhofer ISE, Glatt Ingenieurtechnik, LG Chem Europe, E-Lyte Innovations y UniverCell Holding, tiene una duración prevista de tres años y ha recibido 2,6 millones de euros de financiación federal. Fraunhofer ISE sostiene además que los compuestos de silicio-carbono podrían reducir la dependencia mundial del grafito y trasladar parte de la cadena de valor de las materias primas a la Unión Europea. Estos beneficios dependen de que llegue el formato industrial de 330 Wh/kg y de que las celdas resistan fuera de una sala limpia, algo que el instituto todavía no ha demostrado.