Sinclair investiga nuevos materiales anódicos a partir de residuos agrícolas para baterías de litio

Ante el importante despegue del vehículo eléctrico y de los sistemas de almacenamiento previsto en los próximos años, el proyecto de investigación Sinclair del valenciano Instituto Tecnológico de la Energía investiga las técnicas de producción de componentes a través de recursos abundantes, como son los residuos agrícolas, para la mejora de las propiedades de las baterías de litio.

Actualmente, por un lado, nos encontramos con una disponibilidad limitada en el mercado asiático, particularmente procedente de China, de grandes cantidades de materias primas y materiales procesados. Por otro, 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.

Por ello, 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.

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 Sinclair, 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.

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.

Los laboratorios del Instituto Tecnológico de la Energía también trabajan también en el desarrollo de una espinela de alto voltaje para cátodos de última generación de las baterías de litio que incorporan un nuevo material activo más económico y libre de cobalto y permiten trabajar a las celdas de las baterías hasta 5V, aumentando así su capacidad. n este proyecto, bautizado con el nombre de Catoli, se investiga para implementar técnicas novedosas en la deposición de los electrodos, como es el caso de la impresión.