Optimización del tratamiento térmico de hydrochar para producir ánodos de baterías de sodio

Abstract

[ES] La Unión Europea apuesta por las energías renovables para la mitigación del cambio climático. Estás no están siempre disponibles y por ello se requieren métodos que permitan el almacenamiento de energía. Para ello se podría emplear baterías recargables como las baterías de litio con ánodos de grafeno que ya se usan en muchos productos industriales, como por ejemplo en coches eléctricos, ordenadores, teléfonos móviles, etc. Sin embargo, debido a la escasez de minerales de litio, es necesario la búsqueda de otros métodos de almacenamiento de energía. Entre las numerosas propuestas actuales encontramos las baterías de sodio, con un funcionamiento muy similar a las baterías de litio y que, además, no presentan el problema asociado a las reservas de materia prima. Sin embargo, la diferencia de tamaño que presenta el átomo de sodio frente al del litio hace que no sea posible utilizar grafeno como material para los ánodos en estas baterías, lo que hace necesaria la búsqueda de otros materiales que puedan utilizarse como ánodos en estas baterías de sodio. Se ha visto que en esto los carbones duros pueden jugar un rol importante. Estos carbones se obtienen mediante tratamientos térmicos a altas temperaturas aplicados sobre diversos materiales orgánicos. En este Trabajo de Fin de Máster se van a analizar y caracterizar los procesos necesarios para la obtención de estos carbones duros a partir de biomasa. Por un lado, se estudiará el proceso de carbonización hidrotérmica de la biomasa, que permite obtener lo que se conoce como hidrochar. Este material tiene unas propiedades muy interesantes que permiten su uso en diferentes procesos y además puede ser un precursor de los carbones duros deseados. Para este primer tratamiento se contará con la ayuda de INGELIA, una empresa que nos suministrará parte del material de partida. Tras esto, se estudiarán dos tratamientos, una pirólisis y un tratamiento hidrotérmico a altas temperaturas, aplicados sobre el hidrochar generado para ver cómo afectan las diversas variables estudiadas a las características del carbón duro final, que es el producto deseado. Para caracterizar los diferentes materiales preparados se utilizarán una gran variedad de técnicas, como son la espectroscopía Raman e infrarrojos, el análisis elemental, el área superficial, etc.

[EN] The European Union relies on renewable energies to mitigate climate change. These are not always available and therefore energy storage methods are needed. Rechargeable batteries such as lithium batteries with graphene anodes, which are already used in many industrial products such as electric cars, computers or mobile phones, could be used for this purpose. However, due to the scarcity of lithium minerals, it is necessary to look for other methods of energy storage. Among the many current proposals are sodium batteries, which work very similarly to lithium batteries and do not have the problem associated with raw material reserves. However, the difference in size of the sodium atom compared to lithium means that it is not possible to use graphene as an anode material in these batteries, making it necessary to look for other materials that can be used as anodes in these sodium batteries. Hard carbons have been shown to play an important role in this. These coals are obtained by thermal treatments at high temperatures applied to various organic materials.This Master's Thesis will analyse and characterise the processes necessary to obtain these hard carbons from biomass. On the one hand, we will study the process of hydrothermal carbonisation of biomass, which allows us to obtain what is known as hydrochar.This material has very interesting properties that allow it to be used in different processes and can also be a precursor of the desired hard carbons. For this first treatment, we will be assisted by INGELIA, a company that will supply us with part of the starting material. After this, two treatments will be studied, a pyrolysis and a hydrothermal treatment at high temperatures, applied to the hydrochar generated to see how the different variables studied affect the characteristics of the final hard carbons, which are the desired product.A wide variety of techniques will be used to characterise the different materials prepared, such as Raman and infrared spectroscopy, elemental analysis, surface area, etc.