El Dr. Rudy Martín, investigador de la Facultad de Química y Biología de la Usach, lidera un proyecto Fondecyt Regular recientemente adjudicado, enfocado en mejorar el rendimiento de las baterías de ion-litio. La iniciativa busca aumentar la duración de la carga y mejorar la estabilidad de estas baterías en el tiempo y su desgaste durante el uso.
En un escenario marcado por la transición energética y el crecimiento de tecnología, las baterías de ion-litio se han vuelto clave para el almacenamiento de energía, ya que su uso se extiende desde dispositivos electrónicos de uso cotidiano hasta la electromovilidad, donde la eficiencia, la capacidad y la durabilidad son factores determinantes.
Estas baterías funcionan mediante el movimiento de iones y electrones entre dos componentes principales, el ánodo y el cátodo, que trabajan en función del almacenamiento y liberación de energía y donde uno de los principales desafíos actuales está en mejorar los materiales que los componen, ya que de ellos depende en gran parte el rendimiento y la vida útil de la batería.
Actualmente, los ánodos están hechos principalmente de carbono grafito, un material estable pero con capacidad limitada de almacenamiento. Por ello, aparecen alternativas como el uso del silicio, material que permite almacenar 10 veces más energía que el carbono, pero que experimenta cambios de volumen extremos que terminan deteriorando el material y reduciendo su rendimiento con el tiempo.
Por ello, desde la Usach, el Dr. Rudy Martín lidera una investigación que busca enfrentar este problema desde la química de materiales, desarrollando nuevos componentes que permitan mejorar la capacidad y estabilidad de las baterías de ion-litio.
“Las baterías tienen varias partes: un ánodo, un cátodo, una membrana y un electrolito. Cada componente es imprescindible y en el caso del ánodo porque es donde se almacena la energía una vez que se carga la batería. Hoy ese ánodo es de carbono, pero hay un material mucho más prometedor, que es el silicio, porque puede almacenar mucha más energía por unidad de masa. El problema es que, cuando el litio forma aleación con el silicio durante la carga, este cambia mucho su volumen, se expande y eso hace que el material se deteriore”, menciona el Dr. Rudy Martín.
Este comportamiento del silicio impide su viabilidad e inserción, en el mercado actual de las baterías, ya que estas pierden capacidad con el tiempo, debido a que con cada ciclo de carga y descarga, los materiales internos se van degradando y en el caso del silicio, este desgaste ocurre de forma mucho más intensa, afectando rápidamente su estabilidad y capacidad de almacenamiento.
Por otra parte, en aplicaciones de mayor escala, como los autos eléctricos, ocurre algo similar, donde, si bien la tecnología es viable, la eficiencia y la durabilidad de la batería siguen siendo un desafío en el largo plazo.
Frente a esta limitación, el proyecto se enfoca en desarrollar una solución desde los materiales, proponiendo un tipo de aglutinante como “pegamento especial” capaz de mitigar los cambios del silicio sin que el ánodo se deteriore rápidamente.
“Todas las baterías tienen un polímero, que corresponde a entre un 5% y un 10% de su masa total, que se llama aglutinante, este actúa como un pegamento, ya que mantiene unidos los materiales activos del electrodo (donde se almacena la energía), que en realidad son partículas, fijándolos a un conductor electrónico. Para que funcione bien, este material tiene que ser capaz de auto-repararse con los sucesivos ciclos de carga y descarga, y que pueda ciclar de cien a mil veces sin perder tanta capacidad”, explica el Dr. Rudy Martín.
Para lograrlo, el equipo trabajará durante 4 años desarrollando y probando estos materiales en condiciones reales. El proceso comienza con la preparación de una mezcla que incorpora silicio y el polímero diseñado, la que luego se aplica sobre una lámina de cobre conductora de electrones para formar el ánodo, a partir de ahí, se ensamblan baterías a pequeña escala (tipo botón), similares a las de un reloj, que permiten evaluar cómo se comporta el material frente a ciclos de carga y descarga.
Además, el proyecto integra la colaboración de la Dra. Ana Lilian Montero Alejo, académica de la Facultad de Ciencias Naturales, Matemática y del Medio Ambiente de la Universidad Tecnológica Metropolitana, quien participa como co-investigadora a cargo del estudio computacional de los nuevos materiales desarrollados. A través de herramientas de modelación y simulación, su trabajo permitirá observar fenómenos que no son visibles a simple vista en el laboratorio, ayudando a comprender los mecanismos moleculares que explican el mejoramiento en el rendimiento de estos sistemas.
De la investigación al desafío industrial
Uno de los puntos clave de la investigación, es su potencial aplicación en la industria, ya que a diferencia de otras propuestas, el material que se desarrolla no requiere componentes especialmente costosos, debido a que el aglutinante representa solo una pequeña fracción del total de la batería. Esto abre la posibilidad de que, en caso de lograr buenos resultados, la solución no solo sea efectiva, sino también viable desde el punto de vista productivo, permitiendo avanzar hacia baterías con mayor capacidad y más duraderas sin aumentar significativamente sus costos.
“Los aglutinantes representan apenas entre un 5% y un 10% del peso total del electrodo de silicio, por lo que, incluso si su costo fuera elevado, se utilizan en cantidades muy pequeñas. Para dimensionarlo, con solo un gramo de aglutinante es posible fabricar alrededor de 100 baterías tipo botón. Y gracias al uso de silicio como ánodo, esas 100 baterías podrían almacenar la misma cantidad de energía que cerca de 1000 baterías tradicionales basadas en carbono grafito”, explica el investigador Usach.
En ese sentido, más que centrarse en reducir costos, el aporte de esta investigación está en mejorar el rendimiento de las baterías en el tiempo, ya que la incorporación de estos materiales permitiría que mantengan su carga por más tiempo y requieran menos recargas, lo que se traduce en una mayor durabilidad y eficiencia en su uso, tanto en dispositivos electrónicos como en aplicaciones de mayor escala.
Para Chile, un país que concentra una parte importante de las reservas de litio a nivel mundial, este tipo de desarrollos abre oportunidades no solo en la investigación, sino también en la proyección hacia una industria con mayor valor agregado.
“Chile tiene una gran oportunidad en el desarrollo de tecnologías asociadas al litio, considerando el potencial que tiene en este recurso. Hoy existe capital humano, conocimiento y líneas de investigación que apuntan en esa dirección, por lo que avanzar hacia aplicaciones concretas depende de seguir fortaleciendo la investigación aplicada y generar las condiciones necesarias para escalar estos desarrollos, lo que abre un escenario muy favorable para proyectar este tipo de iniciativas hacia la industria”, cierra el Dr. Rudy Martín.
Texto y fotografía por Camilo Araya Bernales
