Ciencia argentina de escala global: desarrollan baterías de litio con pelos de vacas

Investigadores de la Universidad Nacional de Córdoba descubrieron que con este residuo de curtiembres pueden desarrollar pilas de litio-azufre. El trabajo fue realizado con el apoyo de YPF-Tecnologías (Y-TEC), que ya lo patentó en Estados Unidos.

Artículo difundido por la agencia UNCIENCIA de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC)

Victoria Bracamonte, junto con Guillermina Luque y Andrea Calderón, recibieron una bolsa de pelos de vacas con “un olor a pis que espantaba”. Pero tanto ellas como el resto del grupo del Laboratorio de Energías Sustentables (Laes) de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC) pensaron que podía ser una materia prima prometedora para crear baterías de litio de próxima generación.

El resultado en la mesada del laboratorio fue un éxito. Tal es así que Y-TEC, la empresa tecnológica de YPF y Conicet, decidió patentar el desarrollo en Estados Unidos.

“Los siguientes pasos son escalar la producción y conectar las industrias de la curtiembre y de las baterías para generar un proceso circular. Esto es a largo plazo”, asegura Bracamonte (38 años), quien es doctora en Química, investigadora del Conicet y profesora de la Facultad de Ciencias Químicas (FCQ) de la UNC.

En tanto, Ezequiel Leiva, integrante del Laes e investigador de Conicet y de la UNC, agrega: “Se trata de baterías que podrían llegar a estar en el mercado recién dentro 10 años. Son una tecnología muy distinta a la actual. El desarrollo y la prueba a escala industrial van a llevar tiempo. En todo caso, tampoco reemplazarán a las baterías actuales. Es probable que convivan”.

LAS BATERÍAS DE LITIO Y LOS PELOS DE VACAS

Las baterías actuales tienen un ánodo de grafito y un cátodo de cobalto y níquel. Estos últimos son elementos escasos, caros y contaminantes. Cuando se carga, los iones de litio pasan al ánodo. Así se almacena la energía. Durante el uso de la batería (la descarga) los iones de litio se mueven en el sentido inverso.

Para lograr baterías más eficientes se deben resolver varias limitaciones de este proceso, como la cantidad de ciclos de carga-descarga capaz de soportar la batería, la velocidad de carga y su densidad de energía. Todo ello sin comprometer su seguridad, esto es, evitar sobrecargas, sobrecalentamientos y cortocircuitos.

Utilizar el azufre como cátodo podría generar una mejora en estas cualidades, además de ser un elemento más abundante y menos contaminante y costoso. Es decir se obtendría una batería más sustentable. Pero este azufre necesita un “esqueleto” en donde adherirse para formar el cátodo. Aquí es donde viene el pelo de vaca.

Una de las sustancias que se está estudiando para crear estos esqueletos son los biocarbones, esto es, carbonos obtenidos a partir de la “cocción” de residuos orgánicos. El biocarbón tiene estructuras micro y nanoporosas, lo que le da una mayor superficie de exposición. Esta cualidad puede mejorar la velocidad de carga, la densidad de energía y dar mayor estabilidad en los ciclos de carga.

Daniel Barraco, investigador de Conicet, integrante del Laes y secretario de Ciencia y Tecnología de la UNC, asegura que este desarrollo no fue una serendipia, un descubrimiento casual. “Se viene colaborando con Y-TEC en el desarrollo de biocarbones desde 2017. Comenzamos con fécula de mandioca y luego fuimos complejizando con estudios en cáscara de maní, de arroz y otros”, explica.

BIOCARBONES CON PELOS DE VACAS

El equipo del Laes utilizó el pelo de vaca para obtener biocarbón. Pero antes el curioso insumo tuvo que someterse a procesos más domésticos.

“El pelo de vaca lo obtuvimos de una conocida que trabaja en una curtiembre. El primer desafío fue lavar el pelo para sacarle la orina. En la bibliografía no había nada, así que decidí traerlo a casa y lavarlo en el lavarropas en una bolsita. Luego volver a lavarlo para sacar el remanente de jabón”, cuenta Bracamonte.

Los pelos limpios se “cocinaron” dos veces hasta alcanzar 500 grados y, luego, 900 grados. Luego se le agregó el azufre. Toda esta “receta” es la que está siendo patentada por Y-TEC.

Con este cátodo y un ánodo de litio puro se armó una pequeña batería como la de una pila de reloj. Logró un gran rendimiento electroquímico, muy prometedor para estos desarrollos con azufre. Ocurre que durante la carga de una batería de litio-azufre se producen reacciones químicas que generan sustancias (polisulfuros) que van desgastando la capacidad.

No obstante, en las pruebas con biocarbón de pelo de vaca no se observaron estos problemas, al menos luego de 100 ciclos de carga-descarga.

LOS BENEFICIOS DEL PELO DE VACA

“Tenemos que estudiar más en profundidad. Puede haber sustancias o algo en la estructura del biocarbón de pelo de vaca que esté evitando que se formen estas sustancias indeseadas”, comenta Leiva.

“La estructura inicial del pelo puede tener un impacto sobre la morfología final del biocarbón y ser la responsable de esta mejora”, agrega Bracamonte.

Leiva, quien este año recibió el premio Konex como uno de los 100 científicos argentinos más destacados de la década pasada, asegura que este tipo de baterías brindarán más autonomía a los futuros vehículos eléctricos.

“Una batería de litio actual de 200 kilos permite que un auto recorra entre 160 a 200 kilómetros. Son pocos kilómetros. Las baterías de litio-azufre permitirán autonomías de hasta 400 kilómetros”, explica.

ECONOMÍA CIRCULAR

Las curtiembres son una importante industria que utiliza mano de obra y materia prima nacionales. Pero produce gran cantidad de residuos sólidos y el pelo de vaca es el principal. De cada tonelada de piel de vaca húmeda se generan 85 kilos de pelo residual.

De la investigación también participaron Guillermina Luque, Andrea Calderón, Fernando Cometto, Sofia Raviolo, Melina Cozzarin.

El trabajo a partir del que se presentó la patente ya fue aceptado para su publicación en la revista Chemistry Select y se encontrará próximamente disponible bajo el título de “Sustainable Cow Hair Biocarbon-Sulfur Cathodes with Enhanced Electrochemical Performance”.

Barraco sostiene: “Es un claro ejemplo de que la ciencia básica argentina puede llevar a desarrollos importantes que luego pueden tomar las industrias locales y así hacer crecer la economía y el trabajo calificado”.

Bracamonte concluye: “Fueron dos años de trabajo duro con la pandemia de por medio. Hicimos frente a situaciones adversas de financiamiento, de accesibilidad a técnicas y por momentos, de frustración. Pero lo logramos”.