Avanços no desenvolvimento de placas bipolares poliméricas condutoras por extrusão direta

As placas bipolares são um componente essencial em dispositivos electroquímicos como pilhas de combustível de hidrogénio, electrolisadores e baterias. Na AIMPLAS, desenvolvemos um processo de extrusão direta que integra numa única etapa a formulação do material compósito polimérico condutor e a obtenção de folhas planas, simplificando o fabrico e abrindo caminho à sua escalabilidade industrial.

Por que são as placas bipolares essenciais nas pilhas de combustível e nos electrolisadores?

O crescimento da procura energética global, aliado à necessidade urgente de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa, está a impulsionar o desenvolvimento de tecnologias avançadas de armazenamento e conversão de energia. Neste contexto, dispositivos electroquímicos como baterias, electrolisadores e pilhas de combustível de hidrogénio assumem um papel cada vez mais relevante.

Dentro destes dispositivos, as placas bipolares constituem um elemento essencial, uma vez que permitem:

• A condução elétrica entre células
• A distribuição adequada dos meios reactivos
• A gestão térmica do sistema

Quais são as limitações dos materiais metálicos e grafíticos tradicionais?

Tradicionalmente, estas placas têm sido fabricadas a partir de materiais metálicos ou grafíticos, que oferecem uma elevada condutividade elétrica, mas apresentam limitações importantes em termos de:

• Peso: soluções mais pesadas que penalizam a eficiência global do sistema
• Custo: processos de fabrico complexos e onerosos
• Corrosão: maior vulnerabilidade em ambientes electroquímicos agressivos
• Processabilidade: dificuldade de integração em linhas de produção contínua

Como alternativa, nos últimos anos tem crescido o interesse pelo desenvolvimento de materiais compósitos baseados em matrizes poliméricas carregadas com materiais condutores, que permitem combinar leveza, resistência química e potencial de fabrico em larga escala.

Que desafios colocam os compósitos poliméricos condutores?

Um dos principais desafios destes sistemas reside em alcançar níveis adequados de condutividade elétrica sem comprometer a processabilidade do material. Para tal, é necessário incorporar elevadas quantidades de cargas condutoras, o que pode dificultar o processamento e afetar as propriedades mecânicas do material final.

Além disso, os processos tradicionais de fabrico implicam normalmente várias etapas, separando a obtenção do material compósito (compounding) da sua posterior conformação.

Como funciona o processo de extrusão direta desenvolvido pela AIMPLAS?

Com o objetivo de superar estas limitações, na AIMPLAS desenvolvemos uma estratégia inovadora baseada na extrusão direta, que integra numa única etapa a formulação do material compósito e a obtenção de folhas planas.

Esta abordagem representa uma simplificação significativa do processo produtivo:

• Menos etapas: compounding e conformação numa única operação
• Redução de tempos e custos de fabrico
• Escalabilidade industrial facilitada pelo processo contínuo
• Versatilidade: avaliação eficiente de diferentes formulações e condições de processamento

Para o efeito, foi realizada uma adaptação da linha de compounding, o que permitiu produzir diretamente folhas com potencial aplicação no fabrico de placas bipolares, mas também para a obtenção de eléctrodos ou electrólitos sólidos.

Esquema do processo de extrusão direta.

Que matrizes poliméricas e cargas condutoras foram avaliadas?

O trabalho experimental centrou-se no estudo de diferentes combinações de matrizes poliméricas e materiais condutores:

Matrizes poliméricas

• Polipropileno (PP)
• Polietileno de alta densidade (HDPE)

Cargas condutoras avaliadas

• Grafeno
• Negro de fumo
• Nanotubos de carbono

Todas as cargas foram avaliadas tanto em formato de pó como em masterbatch.

Que resultados obteve a AIMPLAS com a extrusão direta?

Os resultados obtidos evidenciam a importância de fatores como a dispersão da carga, o teor incorporado e as condições de processamento, os quais influenciam de forma determinante as propriedades finais do material. Os parâmetros de extrusão revelaram-se igualmente um fator crítico na qualidade final das folhas produzidas.

De forma global, o estudo permitiu demonstrar a viabilidade da extrusão direta como tecnologia para a obtenção de folhas poliméricas condutoras, oferecendo uma alternativa mais eficiente face aos processos convencionais. Esta abordagem não só simplifica o fabrico, como abre caminho a novas estratégias de conceção de materiais adaptadas a aplicações energéticas avançadas.

Os desenvolvimentos realizados representam um passo em frente no fabrico de placas bipolares mais leves, económicas e compatíveis com processos industriais contínuos. Num contexto em que a transição para modelos energéticos mais sustentáveis é cada vez mais urgente, este tipo de inovações contribui para melhorar a competitividade e a viabilidade de tecnologias-chave como as pilhas de combustível de hidrogénio e os electrolisadores, favorecendo a sua implementação em larga escala nos próximos anos.

A sua empresa trabalha no desenvolvimento de componentes para dispositivos electroquímicos ou armazenamento de energia? Conte-nos e explicamos como podemos apoiá-la. 👉 Contacte-nos