Ciencia y tecnología para hacer baterías de ion-litio

Laura Wiñar, para Periferia.

El laboratorio de fisicoquímica del Complejo Tecnológico Pilcaniyeu de la CNEA logró sintetizar recientemente la sal de hexafluorofosfato de litio, insumo clave para la producción de baterías de litio. Un acercamiento en detalle al proceso permite entrever la cantidad de elementos de organización y producción colaborativa necesarias para avanzar en el desarrollo de esta tecnología. Conversamos al respecto con la doctora Ana Bohé que dirige el laboratorio que logró obtener esta sal, a escala laboratorio.

“Ya logramos un primer objetivo, que es producir por primera vez en el país hexafluorofosfato de litio”, destaca Ana Bohé, Jefa del Laboratorio de Fisicoquímica y Control de Calidad del Complejo Tecnológico Pilcaniyeu (CTP) de la CNEA (Comisión Nacional de Energía Atómica).

El equipo que dirige la doctora en química Ana Bohé desarrolló un método para elaborar esta sal, clave para la fabricación local del electrolito, uno de los componentes de las baterías de ion-litio. “Es un insumo indispensable para poder hacer una batería y los únicos países que lo producen son los países asiáticos, principalmente China” describe Bohé.

Se trata de un primer paso dentro del proyecto ElectroLit.Ar que se propone generar conocimiento tecnológico para el diseño de una planta de producción nacional de este insumo de las baterías. Participan del consorcio la gerencia del Complejo Tecnológico Pilcaniyeu (CNEA), YPF Tecnología (Y-TEC), la empresa CLORAR Ingeniería y al Centro de Química Inorgánica CEQUINOR (UNLP-CONICET).

Este proyecto trianual, que completa en estos días su primer año de ejecución, obtuvo financiación por parte de la Agencia Nacional de Promoción de la Investigación, el desarrollo Tecnológico y la Innovación (Agencia I+D+i), a través del Fondo Argentino Sectorial FONARSEC 2022, destinado a Proyectos estratégicos para la transición energética.

El litio es un metal alcalino que tiene la propiedad de liberar mucha energía al oxidarse y es necesario transformarlo en hexafluorofosfato de litio para poder usarlo en el electrolito, el elemento que permite la transferencia de iones de litio entre los otros dos elementos, el cátodo y el ánodo (y que frena el paso de los electrones) posibilitando que un circuito externo los conduzca para realizar el trabajo eléctrico durante la descarga de la batería.

A partir de haber logrado producir en el laboratorio la principal sal que se emplea en el electrolito, el próximo objetivo del proyecto es ampliar su producción a una escala intermedia. “Ahora la idea es pasar a una escala un poco más grande, armar todo este nuevo espacio específico que venimos acondicionando en paralelo, colocar todos los sistemas de extracción, de seguridad, de sensores y todo lo que sea necesario para poder colocar ahí los reactores (químicos) que permitan sintetizar esta sal en una escala más grande, que se denomina escala banco, obteniendo una producción de 10 gramos de
hexafluorofosfato de litio por lote”, detalla Bohé.

La relevancia de pasar a la producción de esta sal en escala banco, es que “por un lado en esa escala se pueden obtener todos los parámetros que se necesiten para desarrollar el proceso a escala industrial, y por otro lado, que permite elaborar una cantidad de sal que es útil a los distintos laboratorios de investigación para probar nuevas baterías o nuevas configuraciones de batería, porque usan cantidades muy pequeñas, y de paso pueden también calificar la calidad de la sal que nosotros producimos”.

Al respecto comenta que si bien son el único laboratorio en el país que trabaja en producción de sales para el electrolito, “en Argentina hay varios grupos de especialistas en materiales que trabajan para hacer los materiales del ánodo y el cátodo”, los otros dos elementos de las baterías de ion-litio.
“Después hay otros equipos que arman las baterías y prueban con distinta composición en el electrolito, por eso es que necesitan la sal pura, porque en realidad la sal de litio y las sales orgánicas que son las que se mezclan para armar un electrolito se importan por separado, ya que ahí también hay investigaciones y según las proporciones que se manejan se obtiene una performance de la batería diferente”, especifica Bohé.

El camino recorrido

El logro de la síntesis del hexafluoruofosfato de litio se vincula a la capacidad previa del Complejo Tecnológico Pilcaniyeu (CTP) de la CNEA, ubicado en el paraje Pichi Leufú Arriba, a 60 km de Bariloche (Rio Negro) de trabajar con fluoruro de hidrógeno y flúor, gases que intervienen en diferentes instancias del proceso de enriquecimiento de uranio que se desarrolla en esa Planta.

Por otra parte, al tratarse de una formulación de electrolito no acuosa se requieren condiciones específicas: “el agua es el enemigo en este caso, y la mayoría de estos compuestos son muy fácilmente hidrolizables, o sea que reaccionan con el agua, con lo cual trabajamos en caja (o cabina) de guantes, en sistemas cerrados, sistemas secos, algunos de los cuales tuvimos que construir”, explica la doctora en química.

“Nosotros ya trabajábamos con reacciones heterogéneas solido-gas o sea que toda la parte de manejo de reactor químico y de gases sabemos realizarla, pero no teníamos nada armado específico para la síntesis de estas sales, entonces construimos lo que llamamos un sistema de reactores (químicos) conectados entre sí para hacer la síntesis de la sal. Probar y acondicionar estos quipos nos llevó alrededor de seis meses”, reflexiona sobre esta primera etapa ya desarrollada.

“Para producir esta sal hay que trabajar con carbonato de litio que es el mineral que producen en el norte de la argentina y fluorarlo (introducir átomos de flúor) al igual que a otros compuestos de fósforo que luego tienen que reaccionar entre sí. Para eso hay que evaluar qué condiciones de temperatura, de tiempo, de cantidad de reactivos hay que poner para que se produzca la sal. Y luego ver las condiciones para producirla con la mayor pureza que se pueda alcanzar. Finalmente hay que caracterizar (químicamente) esa sal obtenida” resume Bohé.

Relación colaborativa

También explica sobre la relación colaborativa con otros laboratorios “trabajamos mucho en colaboración con CEQUINOR y con Y-TEC, cuando tenemos algún lote lo caracterizamos los tres grupos como para certificar un poco este producto, y a lo mejor lo que nosotros no vemos lo puede ver el CEQUINOR porque tiene un equipo de espectrometría de mayor alcance y mejor sensibilidad. Hay que sumar capacidades. Un sólo laboratorio no tiene
todas las capacidades ni el conocimiento, o la experiencia” sostiene.

El trabajo realizado desde el Centro Tecnológico Pilcaniyeu se vincula con la investigación científica tanto como con el desarrollo de tecnología: “de lo que sería la investigación básica, de algunas de estas reacciones se conoce todo el mecanismo de la reacción, pero otras no, o por lo menos algunas de ellas no están publicadas, entonces ahí uno puede hacer una investigación básica, pero después sobre cómo poner en contacto estas reacciones para que haya un producto interesante, en un tiempo interesante y en condiciones que también sean viables, ahí está el desarrollo tecnológico”, manifiesta
Bohé.

En cuanto al equipo que participa del proyecto explica que son científicos pero también tecnólogos. “En el compromiso directo somos unas 40 personas. Aparte de todo el resto de la planta que son 150 porque también de alguna manera participan otros sectores.

Para el acondicionamiento de la planta participa todo el sector de obra y para la provisión del fluoruro de hidrógeno participa la gente de operaciones y de ingeniería. Eso sólo en el CTP de CNEA, sin hablar del resto de los institutos”.

Los próximos pasos

“Desde el punto de vista científico la obtención de esta sal de litio ha tenido mucha repercusión porque todos nuestros colegas saben lo complicado que es trabajar con estos compuestos y producirlos, hay que tener una formación de muchos años y disponer aparte de un laboratorio muy bien instalado con sensores y dispositivos de alta calidad”, agrega Bohé.

“Nosotros pensamos que en un año vamos a tener funcionando la producción en escala banco y después vamos a tener un año de optimización. De todos modos, en estos dos años en paralelo se van a ir haciendo cosas para el nivel de producción en la medida que se vaya a consiguiendo el financiamiento”. Y aclara que “para poder contar con una escala industrial habría que hacer toda una adaptación en la planta, entones eso se va a trabajar en paralelo, pero ya fuera del subsidio otorgado por el FONARSEC”.

Sobre los integrantes del consorcio resume: “la empresa Clorar, con experiencia en armado de plantas químicas, junto con el brazo gerencial de ingeniería de CNEA son los que tienen la capacidad para hacer el diseño en ingeniería inicial y de detalle de una planta industrial en base a los parámetros que vamos a ir obteniendo nosotros. A su vez Y- TEC, que tiene la fábrica de baterías UniLiB junto con la UNLP en La Plata, tiene el conocimiento para realizar las baterías y probarlas, es decir realizan un trabajo de tipo industrial, y CEQUINOR que realiza principalmente ciencia básica, cuando uno tiene una molécula nueva o rara ellos pueden ayudar a identificarla y a caracterizarla”, resume.

Finalmente, sobre la relevancia del proyecto, Bohe reflexiona que “es un hito que se hagan procesos químicos que le den un valor agregado a un mineral nuestro”.