Ante la creciente demanda de almacenamiento de energía para la transición energética, existe una necesidad urgente de tecnologías de baterías rentables, seguras y eficientes en el uso de recursos. Las baterías de iones de sodio basadas en materiales disponibles localmente y respetuosos con el medio ambiente ofrecen un enfoque prometedor. Los investigadores de Fraunhofer y sus socios de proyecto están trabajando en un sistema de baterías de iones de sodio basado en lignina, un subproducto de la industria de la madera y la pulpa.
La lignina, un biopolímero, es un componente clave de la madera, lo que le da su estabilidad. Como subproducto de la industria papelera, generalmente se quema para generar energía. Investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS y la Universidad Friedrich-Schiller de Jena, ambos socios del Centro de Energía y Química Ambiental de Jena (CEEC), han tenido una mejor idea: en el proyecto ThüNaBsE (Batería de Iones de Sodio de Turingia para Almacenamiento de Energía Escalable), financiado por el Estado Libre de Turingia y el Fondo Social Europeo, los investigadores están desarrollando y evaluando un nuevo tipo de batería de iones de sodio basada en lignina, desde materias primas hasta una celda completa de 1 Ah.
El proyecto tiene como objetivo apoyar una mayor independencia de las materias primas críticas, al tiempo que fomenta la transición a baterías más económicas, más sostenibles y seguras. Cuenta con el apoyo de un consejo asesor industrial compuesto principalmente por empresas regionales, entre ellas Mercer Rosenthal GmbH, Glatt Ingenieurtechnik GmbH, IBU-tec advanced materials AG y EAS Batteries GmbH, con sede en Turingia, así como Petrochemical Holding GmbH, con sede en Viena.
Otro objetivo del proyecto es apoyar a jóvenes investigadores de Turingia. Por ello, varios científicos prometedores, que actualmente están completando sus doctorados en los campos de la energía y la investigación sobre baterías, participan en el proyecto ThüNaBsE.
El carbono duro, obtenido a partir de la lignina, un subproducto de la industria maderera, constituye la base del electrodo.FOTO: Fraunhofer
Lignina: Convertir un subproducto en un material reciclable
La lignina se compone principalmente de componentes básicos de hidrocarburos, que pueden utilizarse en diversas aplicaciones químicas, incluyendo material para electrodos de baterías. En el proyecto, se prevé utilizar esta materia prima de origen biológico para el electrodo negativo. «Queremos evitar metales críticos como el litio, el cobalto y el níquel en la cadena de valor de las baterías. También buscamos minimizar el contenido de flúor en los electrodos y electrolitos, y estamos probando hasta qué punto podemos eliminarlo.
Sin embargo, el proyecto se centra principalmente en el procesamiento de lignina de alta calidad disponible localmente para obtener electrodos de alto rendimiento para nuestras baterías de iones de sodio», afirma Lukas Medenbach, investigador del Fraunhofer IKTS en Arnstadt, la puerta de entrada al bosque de Turingia.
La lignina utilizada en el proyecto es proporcionada por Mercer Rosenthal GmbH. En condiciones inertes, se convierte térmicamente en carbono, que posteriormente se procesa para fabricar electrodos.
"Nuestros socios del proyecto, del Instituto de Química Técnica y Química Ambiental de la Universidad Friedrich-Schiller, dirigidos por el profesor Martin Oschatz, utilizan procesos térmicos para convertir la lignina en lo que llamamos carbono duro. La estructura de este carbono duro es muy adecuada para el almacenamiento reversible de iones de sodio. El carbono duro ofrece un alto rendimiento electroquímico, buena estabilidad de ciclo y bajos costes de adquisición, especialmente si se obtiene a partir de materias primas sostenibles", explica Cornelius Dirksen, colega de Medenbach.
Se utilizarán análogos del azul de Prusia, compuestos de hierro no tóxicos, como material para el electrodo positivo. Utilizada por primera vez como pigmento hace unos 200 años, esta sustancia se caracteriza por su buena disponibilidad de materia prima, su compatibilidad ambiental y sus propiedades de almacenamiento de iones de sodio.
Las primeras celdas de demostración pequeñas se están construyendo y probando actualmente en el centro de pruebas de baterías Fraunhofer IKTS de Arnstadt, en el Fraunhofer IKTS de Hermsdorf y en la Universidad Friedrich Schiller de Jena. Simulaciones multifísicas realistas complementan el trabajo de laboratorio. Los resultados son prometedores.
"Tras 100 ciclos de carga y descarga, la celda de laboratorio no muestra ninguna degradación significativa. El objetivo es demostrar 200 ciclos de carga y descarga para la celda completa de 1 Ah al final del proyecto", afirma Medenbach.
Una vez desarrollada por completo, la batería podría utilizarse en aplicaciones de almacenamiento estacionarias o móviles donde no se requiere una carga rápida. Las baterías de iones de sodio basadas en lignina son aptas para aplicaciones móviles con menores requisitos de energía, como, por ejemplo, microcoches (con un límite de velocidad de 45 km/h) o vehículos de logística de almacén, como carretillas elevadoras.
Una vez finalizado el proyecto, los socios pretenden ampliar la escala de la tecnología y alcanzar los siguientes niveles de madurez tecnológica con la ayuda de un consorcio aún mayor.
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