¿Cómo es el proceso de fabricación de una batería? ¿Qué materiales lo componen? ¿Qué oportunidades trae el litio para la fabricación de esas baterías? ¿Por qué el litio es importante para la transición energética? Estas preguntas son las que motorizan día a día el trabajo en los centros de investigación CITEMA e INIFTA para mejorar el almacenamiento de energías renovables a través de baterías de ion de litio.
Una de las novedades del proyecto es que busca reemplazar el cobalto, un elemento químico con el que se fabrican las baterías en la actualidad, pero que es de difícil extracción y además es altamente contaminante. En su lugar se busca utilizar materiales basados en óxido de metales de transición, fosfatos de Fe (hierro) y Li (litio), azufre, carbono y compuestos carbonosos como material catódico para la fabricación de celdas de litio. Por otra parte, las científicas y científicos buscan utilizar estas baterías para almacenar energías limpias, principalmente la solar y eólica.
“Al ser más liviano que el níquel y otros elementos químicos que también se utilizan para baterías, el litio permite el desarrollo de, por ejemplo, celulares y notebooks cada vez más livianos y finitos”, explica la doctora Mariela Ortiz del CITEMA, integrante del equipo de trabajo que busca innovar la producción de baterías de litio y por su impacto recibió financiamiento de la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia a través de la convocatoria RIDEE (Red de Investigación y Desarrollo en Ejes Estratégicos).
Si bien hace décadas que se estudia su propiedad para almacenar energía por ser un elemento químico liviano, comercialmente el litio no ha sido potenciado hasta la década del 90. Hasta entonces se utilizaban otros materiales metálicos como el níquel.
¿Cómo es el proceso de fabricación de una batería de litio? Primero es necesario fabricar una pintura especial que se genera a través de una mezcladora que homogeiniza polvos con un líquido orgánico. Con dicha mezcla se pinta un papel de cobre o aluminio, el cual pasa luego por un proceso de secado y prensado. Por último se corta según el diseño de la celda que se quiera hacer para finalmente humedecerse con el electrolito y se cierra.
“Para acumular energía estanca se suelen utilizar baterías de plomo ácido. El peso y el volumen impactan cuando se trata de baterías para elementos trasladables y livianos”, explica Ortiz y agrega: “Las notebook que se están fabricando ahora son muy livianas y eso se debe a que las baterías son más finitas, más que por la parte electrónica”.
“Lo que el litio hace en la batería es moverse de un lugar a otro y generar energía con ese movimiento”, explica la investigadora. “Cuando cargamos la batería forzamos a que ese litio se mueva a una posición determinada dentro del material; lo cual genera una inestabilidad termodinámica que propicia que el litio vuelva a su posición inicial. Esto último es lo que genera energía”, agrega.
Para esto el litio tiene que estar soportado en una estructura tal que le permita moverse y que sea estable en el tiempo, lo cual se genera acompañándolo con otros elementos metálicos, uno de los cuales es el cobalto.
El litio: clave para la transición energética
Uno de los materiales que se utiliza para la producción de baterías es el cobalto, el cual comercialmente se prefiere por ser más estable que otros materiales y por contener electrones que tienen la capacidad de moverse o desplazarse libremente. Sin embargo, este material tiene un problema: es contaminante y difícil de extraer de los suelos. “La explotación de este mineral es ambientalmente poco sostenible por los recursos naturales que se utilizan para su extracción”, comenta Ortiz. Además, agrega que la minería de este recurso en el mundo suele hacerse en condiciones de vulneración a los Derechos Humanos: “En África muchas veces se utiliza una mano de obra infantil para estas labores”, ejemplifica.
El proyecto buscará entonces innovar a partir de materiales basados en óxido de metales de transición, fosfatos de Fe(hierro) y Li(litio), azufre, carbono y compuestos carbonosos como material catódico en celdas de Li. Así se buscará crear una familia de compuestos con variaciones en composición y diferentes arreglos atómicos que representen una oportunidad para obtener un mejor desempeño electroquímico para los materiales catódicos en celdas de litio (Li) sin cobalto, considerando los valores de la capacidad de carga- descarga y estabilidad de estos.
En este sentido el uso de baterías de ion litio se enmarca en la transición a utilización de materiales que no tengan cobalto, aunque sí tienen otras complejidades. El concepto de transición energética consiste en cambiar la matriz de generación energética de combustibles fósiles por fuentes renovables. Tecnológicamente uno de los sistemas elegidos son las baterías de litio, y entre ellas un desafío que se propone es el reemplazo del cobalto pensado en sistemas ambientalmente menos contaminantes.
El aporte y la vinculación con el sector productivo
La generación de materiales que puedan ser utilizados en baterías comerciales que se produzcan en la provincia es el fin último de este proyecto RIDEE. “La idea es diseñar los materiales, caracterizarlos por sí solos y ponerlos en la batería para testear su funcionamiento”, subraya Ortiz. Asimismo, otro objetivo es que las plantas de baterías con sede en la provincia (como es el caso de UniLiB ubicado en La Plata) tengan acceso a los materiales y puedan escalarlos, es decir, darles un uso en sistemas comerciales.
Los centros de investigación tienen una fuerte vinculación con el sector productivo bonaerense en este rubro. “En Y-TEC trabajan muchos tecnólogos que investigaron en INIFTA por lo que hay vínculos estrechos que hacen muy fluida la transferencia y vinculación con la industria”, expresa Mariela Ortiz.
Próximamente se va a inaugurar la planta de baterías de litio en la ciudad de La Plata (UniLiB) la cual podría ubicar al Estado como un actor central en la transición energética. “La planta de baterías que se está por inaugurar no está proyectada para usar materiales con cobalto, sino para usar fosfatos de hierro litio”, resalta la investigadora. En ese sentido, diseñar y testear materiales libres de cobalto para estas tecnologías será clave si se proyecta mejorar los sistemas que se produzcan en la región.
El proyecto: “Nuevos materiales compuestos para baterías de litio como almacenador de energías renovables” es impulsado desde las universidades UTN y UNLP a través de centros de investigación con los que comparten dependencia con la CIC.
Se trata de los centros de investigación INIFTA (Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas de la UNLP) y CITEMA (Centro de Investigación y Desarrollo en Ciencia y Tecnología de Materiales de la UTN). El convenio entre ambas instituciones surge de la necesidad de complementar las especialidades para el desarrollo: el CITEMA desde el diseño y la caracterización de materiales, y el INIFTA desde el estudio de los materiales aplicados a baterías de impacto tanto para fuentes fijas como en la electromovilidad.
El proyecto forma parte de la Red de Investigaciones y Desarrollo en Ejes Estratégicos que financia la CIC. El equipo está integrado por las y los investigadores, personal de apoyo, becarias y becarios de posgrado: Arnaldo Visintin, Agustin Bolzan, Claudio Gervasi, Mariela Ortiz, Javier Amalvy , Andrea Pereyra, Francisco Pardini, Oscar Pardini, María José Rodríguez Presa, Miguel Angel Sanservino, María Eugenia Victoria Hormaiztegui, Anahí Azpeitía, Agustin Vergalito, Micaela Alvarez, Augusto Rodríguez, Nicolas Hoffmann y Sofía Tsunoda.
Por Juan Vera Visotsky