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Investigadores de CONEA lograron desarrollar un componente clave para alargar la vida útil de las baterías de litio

viernes 04 de agosto de 2023
Investigadores de CONEA lograron desarrollar un componente clave para alargar la vida útil de las baterías de litio

Según los investigadores de la Comisión Nacional de Energía Atómica, es la primera vez que las sales de este material se producen en el país

Investigadores del Centro Atómico de esta ciudad consiguieron, por primera vez en el país, producir hexafluorofosfato de litio (LiPF6) o sales de litio, un insumo fundamental para los electrolitos de las baterías de ion-litio. Aunque su nombre es difícil de pronunciar, ese compuesto inorgánico resulta clave: solo se fabrica actualmente en países asiáticos (China tiene el 85% del mercado) y su demanda va en aumento.

El litio es el metal más liviano que se conoce, además de ser muy reactivo. Es, también, esencial para fabricar baterías para vehículos y dispositivos electrónicos. Detrás de Australia, Chile y China, la Argentina es el cuarto productor mundial de litio, al tiempo que alberga la segunda mayor reserva del mundo.

Las reservas se concentran en Jujuy, Salta y Catamarca. Sin embargo, la materia prima –el carbonato de litio que actualmente exporta la Argentina– requiere otros procesos antes de convertirse en partes de una batería. Es necesario, por ejemplo, transformarlo en hexafluorofosfato de litio para poder usarlo en el electrolito, uno de los tres elementos clave que conforman cada celda de una batería de ion-litio, además del ánodo y el cátodo.

Tal como explican los expertos de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), el ánodo es el electrodo negativo, en el que se produce una reacción de oxidación cuando el material del que está hecho pierde electrones. Al recibir esos electrones, el cátodo o electrodo positivo sufre una reacción de reducción, porque estos disminuyen su estado de oxidación.

Esa transferencia de electrones ocurre a través de un circuito externo, como un cable de cobre, y es la que genera la corriente eléctrica. Mientras tanto, el electrolito es el que permite cerrar el circuito mediante el movimiento de los iones. Se trata de una solución en la que están presentes los iones de litio que provee una sal con características electroquímicas muy específicas. El hexafluorofosfato de litio es la sal que mejor cumple con estos requisitos.

En las baterías de ion-litio, a medida que se va descargando, los iones Li+ van del electrodo negativo hacia el positivo a través del electrolito. Al conectar la batería a la red eléctrica para su recarga, el sentido de esa transferencia se invierte y los iones litio van desde el electrodo positivo al negativo –en un tipo de reacción química que se conoce como topotáctica–, al mismo tiempo que por el circuito externo a este último le llegan electrones de la red. Al tomar esos electrones, el que actuaba como ánodo en la celda, pasa a ser el cátodo en la recarga. Este proceso ocurre de manera reversible, lo que permite la repetición del ciclo de carga y descarga un gran número de veces, proporcionando larga vida útil a los dispositivos.

Proveedor

“Empezamos en junio y ya logramos un primer objetivo, que es producir por primera vez en el país hexafluorofosfato de litio. Lo hicimos a escala de laboratorio y la próxima meta es pasar a la escala banco, con la producción de 10 gramos que alcanzarán para proveer de electrolitos a todos los laboratorios de investigación del país durante un año”, explica Georgina De Micco, jefa de la División Fisicoquímica y Cinética del Complejo Tecnológico Pilcaniyeu (CTP) de la CNEA.

La doctora en Ciencias de la Ingeniería agrega que al disolver en agua la sal que sintetizaron en laboratorio, pueden ver las impurezas del producto. Se busca alcanzar una pureza del 99.99%: arrancaron en junio con una sal de litio del 30% y hoy ya están en un 95% de pureza. “Cada vez los requerimientos son más altos. Ya se podrían probar las celdas con lo que obtuvimos. Pero tiene que ver con el desempeño de las baterías y su durabilidad: como son cargas y recargas, cuanto más puro, mejor. Ciertas impurezas van degradando los elementos que componen las celdas”, suma De Micco.

Del proyecto también participan el Centro de Química Inorgánica Cequinor-Conicet y la empresa Clorar Ingeniería.

El desarrollo tecnológico alcanzado por la CNEA se vincula con la creación de la primera Planta Nacional de Desarrollo Tecnológico de Celdas y Baterías de Litio (UniLiB). La planta se enmarca en un consorcio del que participan la Universidad Nacional de La Plata, el Conicet, la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires, el Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa y la empresa YPF Tecnología (Y-TEC).

Con el apoyo del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, el objetivo de la planta de La Plata es que la Argentina se autoabastezca de baterías para cubrir las necesidades del sistema de defensa nacional, lo que incluye a los radares que monitorean las fronteras.

“Para producir baterías, se pensaba importar electrolitos. Eso no era problemático para la etapa de desarrollo, pero cuando uno quiere darle escala, adquirir esas cantidades se vuelve difícil, por la gran demanda que hay, sobre todo en la industria automotriz. La CNEA fue entonces convocada, por esa necesidad, para producir hexafluorofosfato de litio en la Argentina”, advierte Daniel Brasnarof, gerente del Complejo Tecnológico Pilcaniyeu.

El electrolito es un compuesto en base a litio, fósforo y flúor. Para producir sal de litio es preciso manejar sustancias halógenas, fluoradas. Y el Complejo Tecnológico Pilcaniyeu, de la CNEA, tiene mucha experiencia en ese campo: “Eso lo adquirimos fundamentalmente por el desarrollo del enriquecimiento de uranio, que data de la década de 1980. El uranio puede enriquecerse configurando una molécula gaseosa con flúor. La capacidad que desarrollamos en todos estos años para trabajar con fluoruro de hidrógeno y flúor, dos compuestos que intervienen en diferentes instancias del proceso para enriquecer uranio, posicionaron a la CNEA como la candidata natural para producir el hexafluorofosfato de litio”, subraya el ingeniero nuclear.

El trabajo en el Complejo Tecnológico Pilcaniyeu se nutre, a su vez, del Laboratorio de Fisicoquímica y Control de Calidad del Centro Atómico Bariloche, creado en 2010. Contar con la experiencia y capacidad para el manejo de este tipo de sustancias resulta clave para el desarrollo de sales de litio. Y en poco tiempo, los resultados son muy buenos.

 “Si uno mira el contexto internacional, hay 13 países que manejan el enriquecimiento de uranio y que conocen estas técnicas. Y los países que producen el hexafluorofosfato de litio están en esa lista. El conocimiento está limitado a un cierto grupo de países, que se va desarrollando en forma propia, porque, al ser temas sensibles, no se encuentran en la literatura científica ni en las patentes”, dice Brasnarof.

En el laboratorio, De Micco y Gastón Fouga, jefe de la División Control de Calidad, venían trabajando desde hace más de 15 años con sustancias corrosivas como el cloro, una suerte de “primo cercano” del flúor. Tras comprobar la factibilidad del proyecto y la eficiencia en el laboratorio, los expertos de la CNEA demostraron que se puede ir pasando de escala hasta llegar a la industrial, que permitirá producir kilos de sales de litio en el complejo de Pilcaniyeu.

Fouga explica que se necesitan varias reacciones hasta llegar al electrolito: desde el carbonato de litio, pasando por el fluoruro de litio y el pentafluoruro de fósforo. “El hexafluorofosfato de litio es un compuesto que la mínima cantidad de agua lo degrada. Entonces la atmósfera debe ser seca, inerte a veces. Tiene ciertas complicaciones incluso por las mismas propiedades fisicoquímicas de alguno de los compuestos que usamos”, cuenta Fouga.

Saben que aparecerán nuevos desafíos en cada avance, pero se muestran optimistas. “También se necesita una inversión en componentes que sean químicamente compatibles, de equipos de medición y caracterización, y de personal. Confiamos en que eso llegue en función de los hitos y resultados”, agrega Brasnarof.

El consumo de UniLiB implicaría producir al menos dos toneladas de sales de litio por año. Desde la CNEA estiman poder alcanzar las condiciones de producción en dos años. Destacan que es de suma importancia la articulación de la extracción, con la investigación, el desarrollo y la producción para abordar la problemática en su conjunto.

Pensando a futuro, si bien la sal de litio podría exportarse, Brasnarof sostiene que “mejor sería exportar las baterías, es decir, un producto con valor agregado”.

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