Nuevos materiales anódicos sostenibles para baterías de litio a partir de residuos

El Instituto Tecnológico de la Energía se encuentra en plena fase de investigación del proyecto SINCLAIR para el desarrollo de ánodos de Sí/C sostenibles por técnicas serigráficas, integración de celdas con componentes comerciales y modelos de comportamiento electroquímico, térmico y eléctrico para baterías de litio.

Detrás de este nuevo desarrollo se encuentra la voluntad de aportar una solución al acceso limitado a ciertas materias primas que resultarán claves para descarbonizar la economía, por lo que respecta a las técnicas de producción de componentes para la mejora de las propiedades de las baterías de litio. Y es que todas las previsiones apuntan a un importante despegue del vehículo eléctrico en los próximos años, así como de los sistemas de almacenamiento, por lo que se prevé un aumento considerable de la demanda de baterías de litio. 

Los expertos dibujan un escenario con una disponibilidad limitada en el mercado de grandes cantidades de materias primas y materiales procesados, que actualmente están siendo importados desde Asia en su mayoría. Mientras que en el proyecto SINCLAIR se trabaja con materias primas abundantes como son los residuos agrícolas. Esto repercute en una menor dependencia de otros países y en una reducción en el impacto medioambiental gracias a la revalorización de residuos.

Por otro lado, también es fundamental alargar la vida útil de las mismas y para ello hay que conocer y reproducir fielmente su comportamiento eléctrico. Para lograr baterías de litio de alta potencia, la polarización total involucrada en las reacciones electroquímicas debe minimizarse. Estos fenómenos relacionados con las caídas de tensión que se producen durante ciclos de carga y descarga, limitan el rápido funcionamiento de las baterías de iones de litio y están estrechamente relacionados con la vida útil de la batería y su eficiencia de carga. Grandes polarizaciones dan lugar a pérdida de material activo, afectando sobre la degradación de batería y, en consecuencia, reduciendo la vida útil de la misma. 

Es por ello que desde el Instituto Tecnológico de la Energía se está investigando con el silicio sostenible, ya que se postula como un material excepcional en la fabricación de ánodos avanzados para baterías de ion litio, debido a su extraordinaria capacidad de inserción de litio en el proceso de carga de una batería, obteniéndose un aumento significativo en la capacidad, ya que el grafito por si solo presenta ciertas limitaciones para su uso en baterías de nueva generación (alta energía/alto voltaje) debido a su limitada capacidad teórica.

Es el segundo elemento más abundante de la tierra y es medioambientalmente inocuo y económico, pudiendo obtenerse de residuos provenientes, por ejemplo, de la caña común u otros residuos con contenido elevado de cenizas. Además, al ir acompañado de una matriz carbonosa, se facilita la conductividad eléctrica, se mitiga el volumen de expansión que se produce durante las etapas de ciclado de la batería y da lugar a un mejor rendimiento como ánodo en baterías.

La Generalitat Valenciana colabora en el proyecto SINCLAIR a través de la Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital dentro de la línea de financiación de proyectos de innovación en el marco de la Especialización Inteligente durante 2021.

Un proyecto con tres objetivos y un claro propósito sostenible

Los objetivos marcados por este proyecto de obtención de ánodos basados en Si/C sostenible a partir de pirolisis de residuos son varios. Por un lado, se busca un aumento significativo de la capacidad de la batería al introducir el silicio en los ánodos convencionales de grafito. También se está evaluando el comportamiento, tanto electroquímico como térmico, de los ánodos de grafito y grafito-silicio mediante modelizado en elementos finitos. Este punto resulta especialmente interesante para el diseño de nuevos materiales, ya que permite que no sea necesario fabricar electrodos, sino que se puede reproducir su comportamiento mediante simulación.

Por último, el equipo investigador también trabaja en la simulación del comportamiento eléctrico de baterías de litio basado en la presencia de fenómenos de polarización que introducen caídas de potencial durante la carga y descarga, que están estrechamente relacionadas con la vida útil de la batería y la eficiencia de carga.

SINCLAIR impacta de forma positiva en nuestro medio ambiente, ya que el desarrollo de nuevos materiales anódicos sostenibles (carbones y silicio) a partir de materias primas abundantes, como son los residuos agrícolas, reduce el impacto medioambiental gracias a la revalorización de residuos, reduciendo las emisiones producidas por la quema de los residuos agrícolas y contribuye a la economía circular.

Además, los nuevos ánodos podrán ser posteriormente incorporados en baterías fabricadas a partir de nuevos materiales sostenibles  permitiendo el desarrollo de baterías más seguras y eficientes para su aplicación en medios de transporte con energías limpias.

Frente a otros proyectos desarrollados en el mismo ámbito en el que los métodos de obtención de silicio requieren de temperaturas muy elevadas, el proceso de obtención de silicio y carbono mediante procesos pirolíticos a partir de residuos que contengan silicio en sus cenizas planteado en SINLCAIR  presenta un ahorro en costes al tratarse de un proceso que requiere temperaturas más moderadas.

Además, en cuanto al método de preparación de los electrodos, se va a emplear una técnica novedosa para esta aplicación como es la serigrafía, permitiendo más precisión en la deposición, ahorro de material y miniaturización diseño.

Los resultados de los avances producidos por SINCLAIR podrían aplicarse en cualquier sector de almacenamiento, desde el diseño de materiales activos hasta la integración de estos en celdas o sistemas de baterías.