Una investigación desvela cómo conseguir baterías ecológicas con material orgánico abundante

Javier Carretero González, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC.
Javier Carretero González, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC.J. C.

La lucha por las energías limpias tiene dos frentes fundamentales: la generación y el almacenamiento. En la primera se ha avanzado mucho en la utilización de fuentes renovables de forma cada vez más eficiente. La segunda, sin embargo, se ha estancado en la utilización de materiales como el litio o el cobalto, que suponen una dependencia de materiales escasos, geolocalizados y cuya extracción y procesamiento causa numerosos problemas ambientales. En este segundo frente, un equipo del Imperial College, la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en España, ha dado un paso fundamental al descubrir cuándo y por qué los componentes orgánicos, que pueden tener la misma o más capacidad de almacenamiento de energía y son más abundantes, baratos y limpios, dejan de funcionar o ser eficientes en la batería orgánica. Es un paso crítico para el desarrollo de pilas sostenibles.

La investigación internacional, publicada en Nature y en la que ha participado Javier Carretero González, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC en Madrid, ha analizado el comportamiento de derivados de la quinona, una molécula biológica presente en la lignina (el polímero orgánico aromático más abundante en el mundo vegetal) mediante la aplicación de dos novedosos métodos de resonancia magnética nuclear (RMN).

“Nos ha permitido visualizar cómo, cuándo y por qué se producen reacciones secundarias en la batería que hacen que se pierda su eficiencia, las causas de que disminuyan su capacidad de almacenamiento de carga y por tanto de energía. En algunos compuestos, hemos comprobado cómo la aplicación de un voltaje de carga menor puede mantener la capacidad de almacenamiento de energía del compuesto orgánico”, explica Carretero.

En las baterías utilizadas durante la investigación se ha elaborado un circuito en forma de bypass para hacer fluir las sustancias orgánicas recargables desde la celda al interior del equipo de resonancia magnética nuclear, donde se ha llevado a cabo el estudio in situ, es decir durante el funcionamiento de la misma. La energía se almacena y libera por el proceso denominado redox (reducción y oxidación) y el RMN ha permitido hacer un seguimiento de núcleos químicos como los protones y ver cómo se comportan. “Es un paso fundamental para conocer qué ocurre, como funciona la batería a nivel molecular, por qué y cómo se descarga o pierde capacidad y para evitar estas deficiencias”, afirma el investigador español que señala que la fabricación de pilas con materiales económicos y sostenibles es ya posible.

“A partir de esta base, ya solo es cuestión de jugar con la química para aumentar la densidad de energía almacenada por unidad de volumen o para desarrollarlas sin necesidad de utilizar disolventes inflamables, recurriendo al control de la viscosidad de los materiales recargables o incluso al empleo de sales electroquímicamente activas que se presentan en estado liquido a temperatura ambiente. Cualquier país es capaz de desarrollar baterías a partir de elementos de los que disponen, frente a la dependencia de los actuales productos que, como el vanadio, tienen un mercado dominado por países como China y cuyo precio ha llegado a multiplicarse por 10 en un año”, afirma el investigador español del grupo internacional.

Este descubrimiento permite en estos momentos desarrollar sistemas de almacenamiento masivo de energía generada por fuentes renovables

El desarrollo de sistemas más compactos para su uso en pequeños dispositivos o en vehículos puede tardar un poco más, pero este descubrimiento podría permitir en estos momentos desarrollar sistemas de almacenamiento masivo de energía generada por fuentes renovables, una de las limitaciones fundamentales del sistema actual. “Anticipamos que la RMN in situ y las metrologías relacionadas contribuirán a nuestra comprensión fundamental y práctica de las baterías de flujo y, por lo tanto, al desarrollo de dispositivos de mayor duración con mayores densidades de energía para el almacenamiento a gran escala”, afirman los investigadores en las conclusiones del estudio, donde añaden que “las baterías orgánicas de flujo redox son tecnologías de almacenamiento prometedoras, ya que son más baratas y tienen menos riesgos ambientales en comparación con los sistemas basados ​​en vanadio, más establecidos y maduros.

Las moléculas y biopolímeros que se pueden utilizar para las baterías orgánicas son muchas y abundantes, indica Javier Carretero. De hecho, el investigador trabaja desde hace 10 años con la lignina, que es un subproducto que se obtiene, entre otros procedimientos, durante la fabricación de celulosa para la elaboración del papel. Se puede aprovechar el residuo conocido como «Licor Negro” (formado durante el proceso Kraft para crear la pulpa de celulosa y que ahora se reutiliza como fuente de energía) para recuperar la lignina. Este biopolímero se utiliza como material de electrodo en baterías gracias a sus propiedades redox.

Si las baterías son el tren que las sociedades actuales no pueden dejar de tomar para lograr la tan necesaria transición energética, la fabricación de las mismas mediante la aplicación de rutas sostenibles y amigables con el medio ambiente y el empleo de materiales abundantes, renovables, biodegradables, seguros y de bajo coste es una oportunidad única para asegurar el bienestar presente y el futuro a las generaciones venideras. De hecho, en los últimos años se han conseguido descubrimientos que pueden abrir nuevas alternativas en la química de las baterías sostenibles.

Una batería con la fruta más pestilente

Un investigador de la Universidad de Sydney ha desarrollado un nuevo método para aprovechar la fruta del durián o durión (Durio zibethinus), considerada la más pestilente del mundo, o de la jaca (Artocarpus heterophyllus) para el desarrollo de supercondensadores, dispositivos para almacenamiento de carga y descarga rápida. Vincent Gomes, profesor de la Facultad de Ingeniería Química y Biomolecular, explica que, para su uso como fuente energética, se transformaron porciones de fruto en aerogeles de carbono estables.

En España, según explica Carretero, se han alcanzado resultados similares a partir de la transformación de los huesos de aceituna en materiales de electrodo para su aplicación en sistemas de almacenamiento en aplicaciones de carga y descarga rápida, un subproducto propio y abundante en la península Ibérica que demuestra que los avances en la utilización de la biomasa son una realidad.

En la misma línea de la investigación en la que ha participado este investigador del CSIC, científicos de la Universidad de York han publicado en Batteries & Supercaps avances en la creación de una nueva molécula orgánica a base de carbono que puede reemplazar el cobalto que ahora se usa en cátodos o electrodos positivos en baterías de iones de litio. El nuevo material aborda las deficiencias del material inorgánico mientras mantiene el rendimiento.