Debido a que el desarrollo de las baterías de ion-litio está alcanzando su límite de densidad energética teórica y a que los nuevos desarrollos tanto en dispositivos móviles como en vehículos eléctricos requiere el desarrollo de baterías con mayor potencia y densidad de carga, nos encontramos en un punto donde debemos desarrollar nuevas tecnologías. En este sentido, la nueva generación de baterías de litio no está basada en la química de intercalación como las baterías actuales de ion-litio, sino en sistemas de reacciones multielectrónicas.  Dentro de este tipo, las baterías de litio-azufre (Li-S) son las más estudiada a nivel mundial porque presentan la mayor densidad energética teórica (10 veces mayor que las de ion-litio actuales) y un cátodo que consta principalmente de un material de bajo costo y medioambientalmente amigable. Sin embargo, hay diversos problemas a solucionar para lograr mejores resultados y ampliar la posibilidad de utilización de las baterías de Li-S.

Cátodo (electrodo positivo)

El cátodo que se basa en el almacenamiento de litio en azufre, se necesita utilizar una matriz conductora que contrarreste el carácter aislante del azufre elemental. Además, durante los procesos de carga/descarga de la batería, se forman polisulfuros de litio (LixS) de diferentes largos de cadena. Dichos polisulfuros son solubles en el electrolito, lo cual les permite difundir dentro de la celda, llegando al ánodo metálico donde reaccionan depositando una capa aislante de Li2S. Este proceso, conocido como el “efecto shuttle” es responsable de la pérdida de material activo, la disminución de la eficiencia de la celda, pérdida de capacidad, pasivación del ánodo y finalmente la desactivación de la batería. Existen diferentes estrategias para solucionar estos problemas. Dentro del LaES trabajamos en la utilización de carbones porosos como matriz conductora para contener el azufre en el cátodo, confiriéndole no sólo conductividad eléctrica, sino también evitando la difusión de los polisulfuros mediante la confinación de estos dentro de los poros del material. Gran parte de los carbones utilizados provienen de fuentes de desechos orgánicos, como la cáscara de maní o de cereales como trigo o cebada.

Ánodos (electrodo negativo)

En baterías de Li-S, el material anódico es litio metálico. El litio es el metal más liviano de la tabla periódica y además tiene un potencial de reducción menor que cualquier otro material (-3.04 V vs SHE). Esto lo convierte en el material anódico con mayor densidad energética teórica (3861 mAh g ^-1) y su combinación con cualquier cátodo presenta además de la mayor de las potencias. La contraparte de su gran potencial de oxidación es que el litio metálico es altamente reactivo, por lo que se oxida con prácticamente todos los electrolitos descomponiendolos espontáneamente. La continuidad de este proceso durante los sucesivos ciclos de carga/descarga disminuye la eficiencia de la batería al consumir litio y el secado de la batería por el consumo del electrolito. Además, durante este proceso se acumulan inhomogeneidades sobre la superficie del litio metálico lo que provoca que la disolución/deposición de litio no sea uniforme y se produce la formación de dendritas (hilos de litio). Dichas dendritas pueden llegar al cátodo y ocasionar cortocircuitos internos, combustión e incluso la explosión de la celda. El LaES posee líneas de investigación que se encuentran orientadas al estudio teórico y experimental de este problema, así como también la búsqueda de soluciones para estabilizar los procesos de deposición/disolución de litio, evitando la formación de dendritas y el consumo continuo de litio metálico y electrolito, prolongando de esta manera la vida útil del electrodo y la ciclabilidad de la batería. Dentro LaES trabajamos en la ingeniería de electrolitos para estabilizar los ánodos de Li cambiando los componentes del electrolito y/o utilizando electrolitos sólidos. Otra de las estrategias que se llevan a cabo en el LaES es la modificación de la superficie del litio: mediante su funcionalización, cambiando así su morfología, y la deposición de capas poliméricas protectoras, que eviten su deterioro con el ciclado.

Análisis de factibilidad

Para el desarrollo del hidrógeno como vector energético asociado a las energías renovables, resulta fundamental contar con estudios de pre factibilidad técnica, económica y ambiental que permitan analizar y llevar adelante proyectos concretos. Los avances tecnológicos y la urgencia en la transición energética por el agotamiento del petróleo y los efectos del cambio climático, hacen que los costos de las tecnologías involucradas en una economía del hidrógeno disminuyan progresivamente, tanto en lo que respecta a la generación eléctrica (celdas solares fotovoltaicas, aerogeneradores), como a la producción (electrolizadores), las estrategias de almacenamiento, transporte y distribución, y las aplicaciones (celdas de combustibles, motores de combustión interna adaptados) del hidrógeno verde.

En el LaES se abordan algunos cuellos de botella para una potencial economía de hidrógeno verde en Argentina. En particular, se realizan estudios de pre factibilidad técnica, económica y ambiental de las tecnologías del hidrógeno producido a partir de energías renovables en nuestro país, mediante el uso de Sistemas de Información Geográfica de hidrógeno verde.

Se hace hincapié en la energía eólica como fuente primaria y se detallan estudios para la provincia de Córdoba, considerando la posibilidad de mezclas de hidrógeno con GNC para motores de combustión interna adaptados.

Estudios de almacenamiento

El uso de las celdas de combustible de hidrógeno en aplicaciones móviles y, en general, el futuro de una economía basada en el hidrógeno como nuevo combustible, dependen en gran medida de la capacidad de almacenamiento de los tanques que haya a bordo. El almacenamiento de hidrógeno es uno de los cuellos de botella más importantes para la puesta en práctica de este tipo de dispositivos en aplicaciones móviles. A una presión moderada de almacenamiento, un tanque debería ser ridículamente grande para que un vehículo tenga una autonomía del orden de 400 km, sin que deje lugar para el equipaje u otros pasajeros que no sean el conductor.

Existen varias alternativas tecnológicas para el almacenamiento de hidrógeno. El almacenamiento convencional en la actualidad se realiza en forma gaseosa con tanques de alta presión, y en forma líquida mediante el desarrollo de criotécnicas para la refrigeración junto con unidades de almacenamiento a baja temperatura y gran aislamiento, ya probadas con éxito en la tecnología espacial. Otros métodos no convencionales de almacenamiento aprovechan la absorción de hidrógeno en materiales sólidos tales como hidruros metálicos, hidruros livianos y alanatos, o la adsorción sobre materiales a base de carbono. Entre éstos últimos debe distinguirse, por un lado, la fisisorción sobre superficies de materiales carbonosos como grafitos, carbones activados, grafenos, nanotubos de carbono, fulerenos, etc.; y por otro lado, la quimisorción dada en los hidrocarburos, o en forma de amoníaco.

En nuestro laboratorio se han estudiado materiales carbonosos dopados con metales de transición para el almacenamiento de hidrógeno. Actualmente se analizan estrategias de transporte y distribución por las redes de gasoductos existentes, estudiando materiales para la adaptación de la infraestructura a mezclas de hidrógeno y gas natural, de tal modo que el hidrógeno no fragilice las paredes.

En el grupo también se realiza investigación básica acerca de los detalles microscópicos de adsorción, difusión y reacciones del hidrógeno sobre posibles superficies catalizadoras (metales nobles, aleaciones, etc.).

Acumuladores de Energía de bajo impacto ambiental (proyecto Cinc-Ple)

El proyecto CincPle invita a alumnxs a trabajar en materiales para el almacenamiento de energía aplicados a sistemas sustentables.
En este proyecto se estudian materiales y baterías de iones libres de metales críticos. Por diversas razones, los sistemas basados en Zn, Mn y Na son muy prometedores en relación a la performance electroquímica y la compatibilidad ambiental.
Utilizamos técnicas experimentales, teóricas y computacionales para estudiar diferentes
aspectos de la respuesta electroquímica, haciendo foco en los cambios estructurales del material durante los procesos de carga y descarga que están relacionado con su estabilidad, y por ende, su durabilidad.
El principal objetivo es conocer, controlar y tunear estos procesos para alargar la vida útil de la batería y mejorar su rendimiento. Esto se puede aplicar al diseño de nuevos materiales y/o a la recuperación directa de los materiales ya degradados por el uso.
Así que, si te interesan los materiales energéticos, la cristaloquímica, la electroquímica, la ciencia de materiales, y querés realizar tu tesis doctoral, tesina o practicas trabajando en un grupo diverso y multidisciplinario no dudes en acercarte.