Investigadores de la UCN construyen baterías de litio

Una veintena de baterías de litio del tipo botón, diseñadas y construidas en la Universidad Católica del Norte (UCN), presentó esa casa de estudios en la Región de Antofagasta.

Desde la institución académica aseguraron que la elaboración de los dispositivos marca un hito a nivel nacional, al constituirse en un desarrollo pionero implementado en una zona caracterizada por poseer una de las mayores reservas de litio a nivel mundial.

Las baterías dadas a conocer son del tipo botón o coin cell (modelo CR-2032). Esto es, aquellas que normalmente se utilizan en aparatos electrónicos como relojes, calculadoras, lámparas de escritorio y minicomputadores, entre otros artículos, y cuya forma es circular o similar a una moneda.

Desde la casa de estudio detallaron que su elaboración tuvo lugar en las instalaciones del Laboratorio de Electroquímica del Departamento de Química de la UCN, en el marco de la iniciativa “Lithium I+D+i: Centro de Investigación, Desarrollo e innovación en Baterías de Litio”, que impulsa la UCN con financiamiento de la empresa SQM, y cuyo propósito es realizar investigación científica sobre innovación tecnológica en toda la cadena de valor de las baterías de litio.

Impulso tecnológico

El académico de la UCN e investigador líder del proyecto en la línea Área de Nuevos Materiales y Celdas de Batería, Dr. Sergio Conejeros, destacó que el objetivo es construir prototipos que alcancen un nivel de madurez tecnológica. “Son baterías pequeñas del tipo botón que nos permiten obtener los parámetros claves para después construir baterías más grandes”, especificó.

Agregó que la idea es probar el uso de materiales nuevos sintetizados en el Departamento de Química, ver cómo se comportan, y poder realizar publicaciones científicas y posteriormente obtener patentes y/o propiedad intelectual.

De acuerdo a lo planteado por la UCN, el proceso de elaboración de los prototipos ha sido posible gracias a la adquisición de equipamiento e instrumental incorporado recientemente gracias al proyecto y apoyo de SQM. De igual forma, la elaboración de baterías de litio considera la investigación de otros materiales complementarios que ayuden a mejorar las capacidades de los dispositivos. Luego, el siguiente paso sería la construcción de baterías más grandes de tipo cilíndrica.

Al respecto, Conejeros manifestó que “estamos usando un carbón pirolítico proveniente de una planta que recicla neumáticos y residuos domiciliarios en San Pedro de Atacama. La idea es obtener un carbón grafitizado y usarlo como material anódico en la batería, y así hacer economía circular. En este proceso trabajamos en conjunto con la empresa SustrenLab”.

Añadió que también se utilizará carbonato de litio grado batería proporcionado por SQM, para sintetizar materiales catódicos como el fosfato de hierro y litio (LFP) que es un material catódico que actualmente se emplea en las baterías.

El trabajo colaborativo incluye a empresas como SQM, Fraunhofer, SustrenLab y el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE) de Valencia (España).

Proceso de elaboración

El Dr. Alifhers Mestra, doctor en ciencias químicas e investigador postdoctoral en baterías de ion litio del proyecto UCN-SQM, explicó los pasos a seguir para construir una batería de tipo botón. En este sentido, señaló que lo primero es fabricar el electrodo negativo (ánodo) y el electrodo positivo (cátodo).

El proceso continúa con la unión de todas las piezas, tanto del electrodo negativo (ánodo), el electrodo positivo (cátodo), una sal disuelta (electrolito líquido) y un separador para evitar el corto circuito. Posteriormente, se construye y ensambla la batería, la que es sometida a estudios específicos para medir su eficiencia, tiempo de vida, duración de carga y cantidad de energía y potencia que puede aportar.

A su vez, Mestra especificó que “si hacemos una batería de celda completa, es decir como las de venta comercial de fosfato, hierro y litio como material catódico; y un material anódico de grafito, se puede obtener un voltaje de hasta 3 a 4 voltios con alto ciclo de carga y descarga”.

Por otra parte, el académico del Departamento de Química de la UCN e investigador, Dr. Jonathan Cisterna,  aseveró que la idea es también trabajar en la elaboración de baterías con electrolito sólido para obtener dispositivos más eficientes y seguros.

Entre sus ventajas, este sistema permite reducir el riesgo de inflamación comúnmente presente en los electrolitos preparados en soluciones líquidas orgánicas, ante lo cual Cisterna destacó que “al trabajar con electrolitos sólidos buscamos reducir el riesgo del usuario y también mitigar la problemática medioambiental que generan las baterías con electrolitos líquidos que son altamente volátiles. Queremos hacer un dispositivo seguro, económico y amigable con el medio ambiente”.

En la actualidad, con los equipos disponibles el Laboratorio de Electroquímica de la UCN puede construir hasta cien baterías por día. El recinto cuenta con instrumental recientemente adquirido con aportes de SQM para la elaboración de baterías. Entre estos, resaltan un molino de bolas planetario, mezclador al vacío, cámara seca, prensas para ensamblado de baterías, máquina de recubrimiento de material (doctor blade), bipotenciostato y ciclador de baterías, entre otros.

Impacto

El rector de la UCN, Dr. Rodrigo Alda Varas, recalcó que la construcción de los primeros prototipos de baterías constituye la constatación que la asociación de la UCN con el sector privado -en este caso con SQM- está logrando resultados.

“Creo que la labor que desarrollan quienes participan en el proyecto Lithium I+D+i cuenta con un alto compromiso. Están llevando a cabo un itinerario de trabajo que permite contar con la primera producción de un conjunto de baterías que van a permitir ir evaluando y analizando cómo, dentro de esta cadena de valor en la generación de baterías de litio, nosotros somos capaces de generar más conocimiento e innovación para aportar a una huella de carbono neutral en el futuro“, dijo.

La autoridad argumentó que este desafío también implica avanzar en aspectos como la electromovilidad, mayor sustentabilidad y una economía mucho más verde. “Como institución estamos muy satisfechos, puesto que esto se alinea con nuestro cuarto valor, que es el compromiso social y ambiental”, especificó.

Esta visión es compartida por el Dr. Hernán Cáceres, decano de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Geológicas y director de “Lithium I+D+i, quien resaltó este logro desarrollado en el marco de la primera línea de investigación de nuevos materiales y celdas de batería que impulsa Lithium I+D+i: Centro de Investigación, Desarrollo e innovación en Baterías de Litio. “Nos sirve mucho para hacer mediciones en forma rápida. Son baterías experimentales, que nos ayudan a conocer si la idea de algún investigador o investigadora de mezclar A, B o C, o usar un líquido o poner este u otro material, más allá de una predicción teórica, nos permite saber cómo funcionaría esto a una escala superior”, aseguró.

El equipo que participa en la elaboración de las primeras baterías de litio fabricadas en la UCN lo integran los investigadores e investigadoras, Sergio Conejeros, Jonathan Cisterna, Rodrigo Castillo, Jaime Llanos, Ronald Nelson, Darío Espinoza, Claudia Núñez, Fernando Guzmán, Francisco Calderón, Julio Valenzuela y Alifhers Mestra.