Prototipo de batería para vehículos autónomos y eléctricos

De acuerdo con la Asociación Mexicana de la Industria Automotriz, A. C. (AMIA), la exportación de productos automotrices fue de 126 mil 670 millones de dólares en el periodo enero a diciembre de 2017, representando 34.8 por ciento de las exportaciones manufactureras y 30.9 por ciento de las exportaciones nacionales.

El sector automotriz tiene gran relevancia en el desarrollo económico del país y ciertas regiones de México, como la región sureste de Coahuila. Ante esto, el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) lidera el Laboratorio Nacional en Innovación y Desarrollo de Materiales Ligeros para la Industria Automotriz (Laniauto).

Esta iniciativa tiene como objetivo fomentar el desarrollo de la industria automotriz mediante materiales avanzados para este sector y asesorías especializadas para las empresas de Coahuila y otros lugares, según sus necesidades y problemáticas.

Con el desarrollo de vehículos eléctricos y autónomos, junto con otras tecnologías automotrices sustentables, el almacenamiento de energía es un tema fundamental en el sector. Actualmente, a través de Laniato y un proyecto de Cátedras Conacyt, científicos trabajan en la generación de materiales avanzados para su aplicación en baterías de litio y mejorar su capacidad de almacenamiento energético, de forma más sustentable y con aplicación directa en empresas automotrices en el futuro.

Materiales para almacenamiento de energía

Laniauto busca cubrir las necesidades y requerimientos del sector automotriz, en conjunto con otras instituciones especializadas, con la finalidad de detonar el crecimiento económico mediante la innovación.

“Propusimos inicialmente que este laboratorio fuera un laboratorio que integrara diferentes capacidades, tanto de nuestras instituciones socias, así como ir sumando capacidades de otras instituciones. El objetivo de Laniauto es atender las necesidades de innovación en el desarrollo de materiales ligeros para el sector automotriz”, comentó el doctor Ernesto Hernández Hernández, catedrático Conacyt adscrito al Departamento de Materiales Avanzados del CIQA y responsable técnico del proyecto Laniauto.

A partir de un proyecto enfocado en el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energías renovables basados en baterías de iones de litio, la doctora Rosa Martha Jiménez Barrera, investigadora Catedrática Conacyt adscrita al Departamento de Síntesis de Polímeros del CIQA, trabaja en materiales avanzados para optimizar el uso de energía en vehículos eléctricos y autónomos.

“Estamos trabajando en materiales para el aprovechamiento de energías renovables, específicamente para el desarrollo de baterías de iones de litio. Una de nuestras líneas de investigación es el desarrollo de materiales poliméricos y grafénicos para su uso en las baterías electroquímicas, basadas en la tecnología de iones de litio”.

La investigadora señaló que otra razón importante para generar estos materiales alternativos es la sustentabilidad, ya que la industria automotriz es uno de los principales consumidores de petróleo y sus productos derivados.

La limitada capacidad de almacenamiento en aplicaciones de gran demanda de energía, como ocurre con los automóviles, es uno de los principales problemas sobre este tema.

“En lo que se refiere a la mejora en la capacidad de almacenamiento, estamos trabajando con materiales poliméricos y materiales grafénicos, ambos de distinta naturaleza. En el caso de los materiales grafénicos, estamos realizando modificaciones de grafenos con heteroátomos de nitrógeno (N), azufre (S) y fósforo (P) para mejorar la capacidad de almacenamiento de los iones”, explicó Jiménez Barrera.

Además de la dificultad en las tecnologías de los sistemas de almacenamiento de energía, se presentan dos problemas principales particularmente con las baterías de litio: la volatilidad y la flamabilidad de sus compuestos.

“De esos dos problemas tenemos dos líneas, los polielectrolitos (polímeros con electrolitos) sólidos que son aquellos polímeros con conductividades iónicas que resuelven los problemas de seguridad. Porque los materiales convencionales son electrolitos líquidos, que tienen la posibilidad de fugarse y causar explosiones, como ocurre con los celulares que estallan. Específicamente estamos trabajando con polímeros derivados del polióxido de etileno”.

Escalamiento a futuro

Los científicos experimentaron con diferentes tratamientos y materiales “verdes”, con la finalidad de disminuir costos y poder sustituir electrodos comerciales con metales pesados como el cobalto (Co).

“Estamos sustituyéndolo con otros (materiales) de origen a base de carbono y, hasta ahora, hemos podido implementar y formular electrodos con los materiales grafénicos que estamos haciendo y hemos alcanzado resultados favorables en cuanto a la capacidad de almacenamiento y la velocidad de carga”, puntualizó Jiménez Barrera.

Los especialistas aclararon que los prototipos que han hecho, hasta el momento, no son a nivel de batería para automóviles, sino dispositivos de baterías convencionales tipo moneda o botón.

Durante el desarrollo de prototipos, los investigadores del CIQA contaron con la colaboración del doctor Guadalupe Ramos Sánchez, Catedrático Conacyt adscrito a la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) Iztapalapa y el doctor Ignacio González Martínez, investigador consolidado de la misma universidad, quienes colaboraron con su experiencia en el ensamblado de baterías de litio y su caracterización electroquímica. Este trabajo conjunto con el grupo de electroquímica de la UAM Iztapalapa y las estancias de estudiantes de posgrado del CIQA en esta institución, permitió que los materiales pudieran aplicarse y utilizarse en baterías de iones de litio tipo botón o moneda.

En el año de trabajo reciente, los especialistas realizaron la modificación de materiales grafénicos mediante diversos métodos para la fabricación de electrodos con mayor capacidad de almacenamiento. Algunos de los métodos empleados fueron plasma, tratamientos térmicos y tratamientos hidrotérmicos.

Los electrodos generados se convertirán en candidatos potenciales para sustituir los materiales empleados actualmente en el mercado, con mayor sustentabilidad y menor costo. Respecto a los principales resultados preliminares, la investigadora añadió: “Estamos obteniendo específicamente una mejor capacidad reversible, estamos obteniendo velocidades de carga superiores a las velocidades tradicionales con los materiales grafíticos. Si hablamos de un rango que podamos evaluar, de los diferentes materiales que estamos fabricando, estamos obteniendo de 700 hasta mil 980 miliamperios-hora (mAh) / gramo (g). Esto después de 10 ciclos de descarga y a una corriente de 100 mAh/g”, especificó Jiménez Barrera.

A futuro, en el proyecto está contemplada la transferencia de tecnología. Sin embargo, los especialistas indicaron que las celdas electroquímicas o electrodos generados aún requieren otro tipo de pruebas para su fortalecimiento y escalado.

“No tenemos toda la infraestructura para poder hacer dispositivos porque se requiere de sistemas, estaciones de trabajo, atmósfera controlada, equipos para pruebas galvanoestáticas de carga y descarga, multicanales para poder estar haciendo esas pruebas. Dentro de nuestra visión está tener un laboratorio totalmente equipado para hacer desde el material, el polímero o grafeno, hasta el prototipo. No solo de una celda electroquímica sino también un prototipo (batería) de bajo, mediano o alto consumo de energía”, añadió la científica.

Los especialistas continuarán la experimentación con distintos métodos “verdes”, libres de solventes, para lograr el escalamiento de forma sustentable.

“Vamos a estar trabajando en la optimización o en el mejoramiento del proceso, también vamos a estar trabajando en los polímeros para poder sustituir a los polielectrolitos líquidos. Esa sería la segunda parte del proyecto grande que tenemos con Laniauto. De tal manera que podamos ir abarcando, poco a poco, cada uno de los puntos débiles o dónde podemos atacar de los componentes de una batería para automóviles”.

Ernesto Hernández Hernández destacó que esta serie de proyectos de Laniauto tiene como distintivo la participación de jóvenes investigadores, particularmente catedráticos Conacyt, y están abiertos a colaboraciones para consolidar grupos y seguir fortaleciendo esta iniciativa científica-automotriz.

“Las expectativas del proyecto las hemos superado y la verdad es que todo ha sido gracias a la colaboración de nuestros investigadores del CIQA y otras instituciones. Quiero recalcar que 60 a 70 por ciento de los colaboradores somos investigadores jóvenes, y al menos 40 por ciento somos del programa de Cátedras Conacyt. Es un laboratorio joven en el que, por supuesto, estamos buscando incorporar la experiencia de los investigadores consolidados para darle un mayor impulso y lograr ese impacto que requiere el laboratorio para tener su autosustentabilidad”.

Fuente: CONACYT.