Agregado de fibra de carbono en placas negativas de baterías de plomo-ácido: efecto en las propiedades fisicoquímicas y electroquímicas de la placa y su relación con la performance eléctrica de la batería

Abstract

El aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero y su impacto en el cambio climático es una realidad consensuada a nivel científico. Los esfuerzos de la comunidad científica se han focalizado en la mejora y el desarrollo de tecnologías que impacten en una disminución de las emisiones de CO2e y/o en su captura, de modo de lograr disminuir su concentración en la atmósfera terrestre. Dentro de los sectores con mayores emisiones de gases de efecto invernadero se encuentra el sector transporte. Aquí las investigaciones han apuntado al desarrollo de vehículos eléctricos y/o híbridos, con el objetivo de disminuir el consumo de combustibles de origen fósil. Cambios en el comportamiento de los consumidores, motivados por las políticas establecidas por los gobiernos y por el desarrollo de las tecnologías de movilidad, determinarán los tipos de vehículos que se utilicen en las próximas décadas. En los últimos años, varios trabajos científicos han reportado que la adición de materiales de carbono al electrodo negativo en las baterías de plomo-ácido puede mejorar el rendimiento eléctrico de estos acumuladores de energía. En este trabajo se estudió el efecto de agregar una fibra de carbón activado (FC) a la placa negativa de una batería de plomo-ácido. Se compararon las propiedades fisicoquímicas, electroquímicas y eléctricas de una placa negativa con adición de 0.1 (% en peso) de FC y de la misma placa sin adición de FC. Las pruebas eléctricas de las baterías que contienen FC mostraron un aumento en el número de ciclos de carga, hasta un 47.8 % más, en comparación con la batería que no contiene FC. Esta mejora estaría relacionada con una mejora de las propiedades electroquímicas (mayor capacidad de carga y menor resistencia) y texturales (mayor superficie específica) provocadas por la adición de la fibra. Por otro lado, se evaluó el posible impacto en el mercado uruguayo de las importaciones de componentes de baterías plomo ácido, así como de las exportaciones de este tipo de baterías en desuso, debido a la modificación en el desempeño de las baterías plomo ácido provocada por la adición de la FC. Distintos escenarios de cómo se compondrá el parque automotor uruguayo fueron proyectados a 2030 y 2040, en base a las políticas públicas vinculadas al cambio climático que el gobierno uruguayo ha establecido. Las proyecciones a más largo plazo, indican que para 2040 el parque automotor uruguayo estará compuesto entre un 86% y 51% por vehículos con motores de combustión interna. Es estos, las baterías plomo ácido continuarán dominando el mercado y el cambio en el mercado hacia baterías plomo ácido con el agregado de la fibra disminuyen aproximadamente en un 35% las importaciones de componentes de baterías y las exportaciones de baterías ya utilizadas.

The increase in the concentrations of greenhouse gases and their impact on climate change is a consensus reality at the scientific level. The efforts of the scientific community have focused on the improvement and development of technologies that impact on a reduction in CO2e emissions and/or their capture, in order to reduce its concentration in the Earth's atmosphere. The transportation sector is one of the sectors with the highest greenhouse gas emissions. Here, research has pointed to the development of electric and/or hybrid vehicles, with the aim of reducing the consumption of fossil fuels. Changes in consumer behavior, motivated by the policies established by governments and by the development of mobility technologies, will determine the types of vehicles used in the coming decades. In recent years, several scientific works have reported that the addition of carbon materials to the negative electrode in lead-acid batteries can improve the electrical performance of these energy accumulators. In this work, the effect of adding an activated carbon fiber (CF) to the negative plate of a lead-acid battery was studied. The physicochemical, electrochemical and electrical properties of a negative plate with addition of 0.1 (% by weight) of CF and of the same plate without addition of CF were compared. Electrical testing of the CF-containing batteries showed an increase in the number of charge cycles, up to 47.8% more, compared to the non-CF-containing battery. This improvement would be related to an improvement in the electrochemical properties (greater load capacity and lower resistance) and textural properties (greater specific surface area) caused by the addition of the fiber. On the other hand, the possible impact on the Uruguayan market of imports of lead acid battery components, as well as exports of this type of disused batteries, due to the change in the performance of lead acid batteries caused by the addition of CF was evaluated. Different scenarios of how the Uruguayan automotive fleet will be composed were projected for 2030 and 2040, based on the public policies linked to climate change that the Uruguayan government has established. Longer-term projections indicate that by 2040 the Uruguayan vehicle fleet will be made up of between 86% and 51% of vehicles with internal combustion engines. In these, lead acid batteries will continue to dominate the market and the shift in the market towards lead acid batteries with the addition of fiber decreases imports of battery components and exports of batteries already used by approximately 35%.