Proyecto Sinclair: donde la agricultura se cruza con las baterías de litio

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El enfoque de la bioeconomía se ha instalado como una de la formas más eficaces para contrarrestar los efectos del calentamiento global, causante del cambio climático, y a la vez, contribuir al desarrollo de las naciones. Fundamentalmente, en aquellas donde la agricultura y sus encadenamientos productivos están más desarrollados.
 
 

El Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), a través del proyecto Sinclair, está estudiando como obtener silicio, un material que podría convertirse en un elemento central en la fabricación de baterías de litio, a partir de fuentes abundantes y sostenibles como son las materias primas biológicas.

En las próximas décadas, se espera un despegue en las ventas de vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía que requerirá de un abastecimiento fluido de baterías de litio. Algunos elementos de su producción deben importarse desde China y están atravesando algunas dificultades de disponibilidad. Se espera que ha futuro el problema pueda agravarse aún más.

Para dar respuesta a esta situación, el ITE está investigando técnicas de producción de componentes a partir de recursos abundantes, locales y sostenibles como los residuos agrícolas, que además permitirían mejorar las propiedades de las baterías de litio.

Silicio: el elemento clave en las baterías de litio de alta potencia 

Según ITE, para lograr baterías de litio de alta potencia, la polarización total involucrada en las reacciones electroquímicas debe minimizarse. Los 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 la batería y, en consecuencia, reduciendo su vida útil.

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El proyecto Sinclair está investigando el uso de silicio sostenible, ya que se postula como un material excepcional en la fabricación de ánodos avanzados para las baterías de ion litio. La extraordinaria capacidad de inserción de litio en el proceso de carga de una batería, obtiene un aumento significativo en su 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.

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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 contribuyendo 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.

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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 de energía eléctrica, 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 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. En 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.

 
 
 
 
 

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