Baterías sostenibles fabricadas a partir de subproductos de la industria maderera

A la luz de la creciente demanda de almacenamiento de energía para la transicion energética, existe una necesidad urgente de tecnologías de baterías rentables, seguras y eficientes en cuanto a recursos. Las baterías de ion de sodio basadas en materiales disponibles localmente y respetuosos con el medio ambiente ofrecen un enfoque prometedor. Los investigadores de Fraunhofer y sus socios del proyecto están trabajando en un sistema de baterías de ion de sodio basado en la lignina, un subproducto de la industria maderera y de la pulpa.

La lignina, un biopolímero, es un componente clave de la madera, al que le confiere su estabilidad. Como subproducto de la industria papelera, suele quemarse para generar energía. Investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS y de la Universidad Friedrich-Schiller de Jena, ambos socios del Centro de Energía y Química Ambiental de Jena (CEEC), han tenido una idea mejor. En el proyecto ThüNaBsE (Batería de ion de sodio de Turingia para el 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 ion de sodio basada en lignina, desde las materias primas hasta una célula completa de 1 Ah. El proyecto tiene como objetivo apoyar una mayor independencia de las materias primas críticas, al tiempo que fomenta la transicion hacia baterías más baratas, sostenibles y seguras. Cuenta con el apoyo de un consejo asesor industrial formado principalmente por empresas regionales, entre las que se encuentran las empresas 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 de los objetivos del proyecto es apoyar a los jóvenes investigadores de Turingia. Por ello, varios científicos prometedores, que actualmente están completando sus doctorados en los campos de la energía y la investigacion de baterías, participan en el proyecto ThüNaBsE.

La lignina se compone principalmente de bloques de hidrocarburos, que pueden utilizarse para diversas aplicaciones químicas, entre ellas como material para electrodos de baterías. En el proyecto, esta materia prima de origen biológico se utilizará 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 pretendemos 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 procesar lignina de alta calidad disponible localmente para convertirla en electrodos de alto rendimiento para nuestras baterías de ion de sodio”, afirma Lukas Medenbach, investigador científico del Fraunhofer IKTS en Arnstadt, la puerta de entrada al bosque de Turingia.

La lignina utilizada en el proyecto es suministrada por Mercer Rosenthal GmbH. En condiciones inertes, se convierte térmicamente en carbono, que luego se procesa para fabricar electrodos. “Nuestros socios del proyecto del Instituto de Química Técnica y Química Ambiental de la Universidad Friedrich-Schiller, dirigido 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, una buena estabilidad cíclica y bajos costes de adquisicion, especialmente si se obtiene a partir de materias primas sostenibles”, explica Cornelius Dirksen, colega de Medenbach. Como material para el electrodo positivo se utilizarán análogos del azul de Prusia, compuestos de hierro no tóxicos. Utilizada por primera vez como pigmento hace unos 200 años, esta sustancia se caracteriza por la buena disponibilidad de la materia prima, la compatibilidad medioambiental y las propiedades de almacenamiento de iones de sodio.

Las primeras células demostradoras pequeñas se están construyendo y probando actualmente en el centro de pruebas de baterías Fraunhofer IKTS en Arnstadt, en Fraunhofer IKTS en Hermsdorf y en la Universidad Friedrich Schiller en Jena. Las simulaciones realistas y multifísicas complementan el trabajo de laboratorio. Los resultados son prometedores: “Después de 100 ciclos de carga y descarga, la célula de laboratorio no muestra una degradacion significativa. El objetivo es demostrar 200 ciclos de carga y descarga para la célula completa de 1 Ah al final del proyecto”, afirma Medenbach.

Una vez desarrollada por completo, la batería podría utilizarse para aplicaciones de almacenamiento fijas o móviles en las que no se requiera una carga rápida. Las baterías de iones de sodio basadas en lignina son adecuadas para aplicaciones móviles con menores requisitos de potencia, 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 seguir ampliando la tecnología y avanzar hacia los siguientes niveles de madurez tecnológica con la ayuda de un consorcio aún mayor.