Investigadores de la UNC recuperaron este residuo de curtiembres para desarrollar pilas de litio-azufre de próxima generación. El trabajo fue realizado con el apoyo YPF-Tecnologías (Y-TEC), que ya presentó la patente del proyecto en EE.UU.

Por Lucas Viano
Redacción UNCiencia
Secretaría de Ciencia y Tecnología – UNC
lucas.viano@unc.edu.ar

Victoria Bracamonte, junto con Guillermina Luque y Andrea Calderón, recibieron una bolsa de pelos de vaca 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 de YPF y Conicet, decidió patentar el desarrollo en EE.UU. “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 Victoria (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 de 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 son necesarias para el boom de vehículos eléctricos que comienza a asomarse. De esta manera se busca transformar el sector de transporte, uno de los principales emisores de gases de efecto invernadero originados tras la combustión de nafta, gasoil y gas. El objetivo es acelerar la transición energética y reducir el impacto del cambio climático.

Cómo funciona una batería de litio

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 cargan, 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, menos contaminante y menos costoso. Es decir que 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 estudian para crear estos esqueletos son los biocarbones: 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.

Del pelo de vaca a la batería

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 volví 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. “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.

Mayor autonomía

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.

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 desarrollo importantes que luego pueden tomar las industrias locales y así hacer crecer la economía y el trabajo calificado”.

Bracamonte agrega: “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”.

Fecha de publicación: 28 septiembre, 2023