Eduardo Roque Rodriguez, doctorando del del Programa Systems and Sustainable Engineering de la Universidad Loyola, ha defendido su tesis en la Sala de Grados del Campus de Sevilla de la Universidad Loyola obteniendo una calificación de sobresaliente Cum Laude.
En su trabajo titulado “Modeling Chemo-Mechanical Processes and Degradation in Battery Materials” el doctorando ha propuesto diferentes modelos multifísicos y multiescala para el diseño virtual de materiales de baterías, los cuales permiten comprender los complejos fenómenos de degradación mecánica que se pueden producir en éstas.
Estos modelos son utilizados para comprender cómo rompen los materiales, con el objetivo de proporcionar estrategias que permitan minimizar el impacto de este fenómeno en las prestaciones de las baterías y alargar así su vida útil.
Las baterías: Un papel fundamental en la descarbonización de la sociedad
Actualmente, la sociedad requiere el uso de baterías para múltiples usos diarios, tales como dispositivos portátiles (teléfonos, ordenadores, etc.) y aplicaciones más avanzadas como el vehículo eléctrico. En los próximos años, con el incremento de la producción de energía mediante fuentes renovables y el desarrollo del vehículo eléctrico, las baterías van a jugar un papel fundamental en la descarbonización de la sociedad. Con respecto a la producción de energías renovables, las baterías pueden ser conectadas con estos sistemas y almacenar los excedentes de producción, usando esta energía en momentos en los que el recurso natural necesario no está disponible.
Es necesario desarrollar una nueva generación de baterías para lograr una transición efectiva hacia tecnologías más sostenibles. En este sentido, es fundamental investigar y desarrollar nuevos materiales que mejoren las prestaciones y la durabilidad de las mismas, reduciendo los costes y minimizando el impacto ambiental.
En este sentido, la ciencia de los materiales y los modelos computacionales juegan un papel fundamental en el desarrollo de estas nuevas alternativas. Este tipo de modelos se pueden utilizar para diseñar electrodos y comprender los diferentes fenómenos de degradación de las baterías.
A lo largo de la tesis, los modelos computacionales propuestos son utilizados para comprender el efecto de los diferentes parámetros del diseño de los electrodos en la fractura de estos. Se proponen diferentes estrategias para el diseño de los electrodos y de sus estrategias de operación, tratando de minimizar la fractura del material.
La tesis ha sido realizada bajo la dirección de los profesores doctores Francisco Montero Chacón y Javier Segurado Escudero y con la tutorización del profesor doctor Juan Carlos Serrano. El Tribunal estuvo presidido por el profesor doctor Fernando Varas Mérida, el secretario el profesor doctor Mauricio Zurita Gotor y el vocal el profesor doctor Marco Magri.
Nuevos materiales para la mejora de las prestaciones y durabilidad de las baterías
En esta investigación, se analiza el fenómeno de fractura en diferentes materiales y tecnologías. En baterías de ion litio, se propone un análisis del efecto del contenido en Nickel del material NMC, lo cual puede permitir reducir el uso de cobalto en los electrodos, un material escaso y tóxico. Además, el análisis incluye el diseño de diferentes estrategias novedosas de materiales de gradiente funcional, los cuales pueden mejorar las prestaciones y durabilidad de las baterías.
Además, esta tesis incluye el primer análisis computacional que considera la intercalación de iones en cátodos de grafito en baterías de doble grafito. El diseño de este tipo de electrodos requiere especial atención en los aspectos mecánicos de los mismos debido a las grandes deformaciones que experimentan durante su operación, los cuales pueden llegar a comprometer la integridad del material y del sistema.
Finalmente, el trabajo también se propone un marco computacional para el diseño virtual de electrodos de silicio-grafito, los cuales se esperan que pueden incrementar considerablemente la capacidad de los actuales ánodos de grafito.
Eduardo Roque Rodriguez ha trabajado hasta el momento como ayudante de investigación en el grupo de la Universidad Loyola Materiales y Sostenibilidad. Es autor de varios artículos en revistas de alto impacto y ha participado en varios proyectos de I+D como en el proyecto VirtualBats, financiado por la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía para el desarrollo de una plataforma virtual de simulación para diseñar y simular el comportamiento de baterías de ión Litio, o el actual proyecto en curso H2APS CITD, para el desarrollo de una aeronave autónoma híbrida usando hidrógeno como sistema de flotabilidad y como combustible del tren de potencia combinando la producción solar instantánea con la generación eléctrica en pila de combustible.
