Desarrollo tecnológico para la nueva generación de baterías de ion-litio por medio de recubrimientos de películas delgadas de Diamante Ultrananocristalino

1.4        Descripción breve de la propuesta. Antecedentes. Hipótesis. Objetivos. Resultados esperados. (Máximo 150 palabras)

El proyecto de investigación propuesto consiste en desarrollar tecnología para la comercialización de una nueva generación de baterías de ion-litio con la principal característica de incrementar su tiempo de vida ≥ 10x y a su vez reducción de su tamaño.  Las nuevas LIB propuestas están basadas en un novedoso proceso químico patentado, en el cual se implementan películas delgadas de diamante ultranocristalino (UNCD, por sus siglas en inglés) como recubrimiento en los componentes internos de la batería (ánodo, cátodo, membranas y paredes internas), así mismo, se han desarrollado y demostrado películas delgadas de UNCD eléctricamente conductoras a través de incorporación de Nitrógeno en las fronteras de grano (N-UNCD) las cuales son ideales para la protección de los ánodos. Básicamente, se propone una mejora significativa de las baterías de ion-litio por medio de la prevención del ataque químico que existe dentro de la batería debido a los efectos en los ciclos de carga-descarga. 

La alta demanda del litio para la elaboración de baterías de LiBs (Baterías de litio por su sigla en inglés), ha puesto en un punto crítico la corteza terrestre con respecto al referido elemento, hecho agravado aún más por el corto alcance que tiene la etapa de uso del ciclo de vida de tales dispositivos, por la corta fase de cargas/descarga inherente a los mismos, con impactos mensurables tanto a escala tecnológica como ambiental. Entre los esfuerzos realizados de la Industria electrónica/energética juntamente con los gobiernos mundiales para mitigar el actual desbalance entre la demanda y suministro del litio, esta incrementar la capacidad de almacenamiento de las LiBs y  el aumento de ciclo carga/descarga, siendo este último punto ítem preponderante durante el desarrollo del proyecto denominado “Desarrollo tecnológico para la nueva generación de baterías de ion-litio por medio de recubrimientos de películas delgadas de Diamante Ultrananocristalino” el cual busca de producir una nueva generación de LiBs con sistema protector a base de láminas(UNCD/N-UNCD diamante Ultrananocristalino/UNCD dopado con nitrógeno) con densidad de energía igual o mayor que las actuales. Básicamente, se propone una mejora de ≥10x en la vida media de las LIBs con ánodos y cátodos recubiertos con N-UNCD, por medio de la prevención del ataque químico que existe dentro de la batería debido a los efectos en los ciclos de carga-descarga.  Este desarrollo implica la integración de las películas de N-UNCD con nano-carbonos y matriz metálica para la obtención de ánodos mejorados.

El proyecto se ha diseñado en cinco etapas.  La primera etapa corresponde a la parte organizacional y ejecución del taller de Almacenamiento de baterías, así como la reunión del equipo investigador en ciudad de Panamá, y la respectiva compra de materia prima y/o insumos. La segunda etapa corresponde a la fabricación de electrodos y optimización de los procesos de recubrimientos a través del uso de técnicas especializadas como son el HFCVD (Hot  Filament Chemical Vapor Depositition) y técnicas Microwave plasma Chemical Vapor Deposition (MPCVD), utilizando la caracterización morfológica y eléctrica de las láminas de UNCD y N-UNCD.  La tercera etapa corresponde al ensamblado de las baterías obtención del prototipo de LiBs recubierta con UNCD. El desarrollo de la metodología para mediciones de la LiBs es parte de esta etapa.  La cuarta etapa incluye la metodología de caracterización de las baterías y se llevará a cabo en ambos locales, UTD y UTP.  La quinta etapas corresponden al proceso de cualificación, para determinar las características reales de las LiBs, así como su seguridad y reliabilidad.  Esta etapa también incluye la divulgación de los resultados en congresos y revistas científicas nacionales e Internacionales como Diamond and Related Materials, y Applied Physics Letters, revistas y congresos indexados como Chemical Society meeting (ACS), Materials Research Society Meeting (MRS), Battery and Fuel Cell Tecnology conference.  Se propone también una publicación en una de las revistas nacional) Del mismo modo se incluyen visitas a posibles compradores de la tecnología durante esta última etapa.  Cabe señalar que el proyecto incluye 2 pasantías del personal de la UTP en Panamá en adición a la presencia de medio tiempo de la Dra. de Obaldía como investigadora invitada.

El resultado esperado es el de producir una nueva generación de LIBs con densidad de energía igual o mayor que las actuales LIBs, pero con una mayor vida de carga y descarga y muy importante, más seguridad contra destrucción producida por calentamiento descontrolado de las LIBs actuales.  Las nueva tecnología de LiBs-UNCD-N impacta favorablemente la conservación ambiental y económica de una industria, país o región mediante la implementación de estrategias I + D , tendientes a la promoción de ciencia, tecnología e innovación, aplicada a la elaboración de nuevos dispositivos para su posterior comercialización dónde Panamá a través de la Universidad Tecnológica de Panamá (UTP) será participante activo  en conjunto con  la Universidad de Texas en Dallas (UTD), tanto en la fase investigativa como el desarrollo del referido dispositivo, aspecto que fortalece y/o promueve el intercambio de información científica y/o tecnológica, así como la generación de nuevos conocimientos científicos técnicos especializados en la temática concerniente a la presente propuesta, la cual son cónsonas con  el Plan Estratégico Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación PENCyT 2014-2015, en cuanto a los objetivos planteadas en la misma y la formación de los equipos interdisciplinarios respectivos tanto a nivel Nacional e Internacional para la promoción de la ciencia y tecnología que aporten nuevos conocimientos y/o herramientas de innovación