Una investigaci¨®n desvela c¨®mo conseguir bater¨ªas ecol¨®gicas con material org¨¢nico abundante

La lucha por las energ¨ªas limpias tiene dos frentes fundamentales: la generaci¨®n y el almacenamiento. En la primera se ha avanzado mucho en la utilizaci¨®n de fuentes renovables de forma cada vez m¨¢s eficiente. La segunda, sin embargo, se ha estancado en la utilizaci¨®n de materiales como el litio o el cobalto, que suponen una dependencia de materiales escasos, geolocalizados y cuya extracci¨®n 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 Cient¨ªficas (CSIC), en Espa?a, ha dado un paso fundamental al descubrir cu¨¢ndo y por qu¨¦ los componentes org¨¢nicos, que pueden tener la misma o m¨¢s capacidad de almacenamiento de energ¨ªa y son m¨¢s abundantes, baratos y limpios, dejan de funcionar o ser eficientes en la bater¨ªa org¨¢nica. Es un paso cr¨ªtico para el desarrollo de pilas sostenibles.

La investigaci¨®n internacional, publicada en Nature y en la que ha participado Javier Carretero Gonz¨¢lez, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnolog¨ªa de Pol¨ªmeros del CSIC en Madrid, ha analizado el comportamiento de derivados de la quinona, una mol¨¦cula biol¨®gica presente en la lignina (el pol¨ªmero org¨¢nico arom¨¢tico m¨¢s abundante en el mundo vegetal) mediante la aplicaci¨®n de dos novedosos m¨¦todos de resonancia magn¨¦tica nuclear (RMN).

¡°Nos ha permitido visualizar c¨®mo, cu¨¢ndo y por qu¨¦ se producen reacciones secundarias en la bater¨ªa que hacen que se pierda su eficiencia, las causas de que disminuyan su capacidad de almacenamiento de carga y por tanto de energ¨ªa. En algunos compuestos, hemos comprobado c¨®mo la aplicaci¨®n de un voltaje de carga menor puede mantener la capacidad de almacenamiento de energ¨ªa del compuesto org¨¢nico¡±, explica Carretero.

En las bater¨ªas utilizadas durante la investigaci¨®n se ha elaborado un circuito en forma de bypass para hacer fluir las sustancias org¨¢nicas recargables desde la celda al interior del equipo de resonancia magn¨¦tica nuclear, donde se ha llevado a cabo el estudio in situ, es decir durante el funcionamiento de la misma. La energ¨ªa se almacena y libera por el proceso denominado redox (reducci¨®n y oxidaci¨®n) y el RMN ha permitido hacer un seguimiento de n¨²cleos qu¨ªmicos como los protones y ver c¨®mo se comportan. ¡°Es un paso fundamental para conocer qu¨¦ ocurre, como funciona la bater¨ªa a nivel molecular, por qu¨¦ y c¨®mo se descarga o pierde capacidad y para evitar estas deficiencias¡±, afirma el investigador espa?ol que se?ala que la fabricaci¨®n de pilas con materiales econ¨®micos y sostenibles es ya posible.

Es un paso fundamental para conocer qu¨¦ ocurre, como funciona la bater¨ªa a nivel molecular, por qu¨¦ y c¨®mo se descarga o pierde capacidad y para evitar estas deficiencias

Javier Carretero Gonz¨¢lez, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnolog¨ªa de Pol¨ªmeros del CSIC

¡°A partir de esta base, ya solo es cuesti¨®n de jugar con la qu¨ªmica para aumentar la densidad de energ¨ªa 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 electroqu¨ªmicamente activas que se presentan en estado liquido a temperatura ambiente. Cualquier pa¨ªs es capaz de desarrollar bater¨ªas 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 pa¨ªses como China y cuyo precio ha llegado a multiplicarse por 10 en un a?o¡±, afirma el investigador espa?ol del grupo internacional.

Este descubrimiento permite en estos momentos desarrollar sistemas de almacenamiento masivo de energ¨ªa generada por fuentes renovables

El desarrollo de sistemas m¨¢s compactos para su uso en peque?os dispositivos o en veh¨ªculos puede tardar un poco m¨¢s, pero este descubrimiento podr¨ªa permitir en estos momentos desarrollar sistemas de almacenamiento masivo de energ¨ªa generada por fuentes renovables, una de las limitaciones fundamentales del sistema actual. ¡°Anticipamos que la RMN in situ y las metrolog¨ªas relacionadas contribuir¨¢n a nuestra comprensi¨®n fundamental y pr¨¢ctica de las bater¨ªas de flujo y, por lo tanto, al desarrollo de dispositivos de mayor duraci¨®n con mayores densidades de energ¨ªa para el almacenamiento a gran escala¡±, afirman los investigadores en las conclusiones del estudio, donde a?aden que ¡°las bater¨ªas org¨¢nicas de flujo redox son tecnolog¨ªas de almacenamiento prometedoras, ya que son m¨¢s baratas y tienen menos riesgos ambientales en comparaci¨®n con los sistemas basados ??en vanadio, m¨¢s establecidos y maduros.

Las mol¨¦culas y biopol¨ªmeros que se pueden utilizar para las bater¨ªas org¨¢nicas son muchas y abundantes, indica Javier Carretero. De hecho, el investigador trabaja desde hace 10 a?os con la lignina, que es un subproducto que se obtiene, entre otros procedimientos, durante la fabricaci¨®n de celulosa para la elaboraci¨®n 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 energ¨ªa) para recuperar la lignina. Este biopol¨ªmero se utiliza como material de electrodo en bater¨ªas gracias a sus propiedades redox.

Si las bater¨ªas son el tren que las sociedades actuales no pueden dejar de tomar para lograr la tan necesaria transici¨®n energ¨¦tica, la fabricaci¨®n de las mismas mediante la aplicaci¨®n 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 ¨²nica para asegurar el bienestar presente y el futuro a las generaciones venideras. De hecho, en los ¨²ltimos a?os se han conseguido descubrimientos que pueden abrir nuevas alternativas en la qu¨ªmica de las bater¨ªas sostenibles.

Una bater¨ªa con la fruta m¨¢s pestilente

Un investigador de la Universidad de Sydney ha desarrollado un nuevo m¨¦todo para aprovechar la fruta del duri¨¢n o duri¨®n (Durio zibethinus), considerada la m¨¢s pestilente del mundo, o de la jaca (Artocarpus heterophyllus) para el desarrollo de supercondensadores, dispositivos para almacenamiento de carga y descarga r¨¢pida. Vincent Gomes, profesor de la Facultad de Ingenier¨ªa Qu¨ªmica y Biomolecular, explica que, para su uso como fuente energ¨¦tica, se transformaron porciones de fruto en aerogeles de carbono estables.

En Espa?a, seg¨²n explica Carretero, se han alcanzado resultados similares a partir de la transformaci¨®n de los huesos de aceituna en materiales de electrodo para su aplicaci¨®n en sistemas de almacenamiento en aplicaciones de carga y descarga r¨¢pida, un subproducto propio y abundante en la pen¨ªnsula Ib¨¦rica que demuestra que los avances en la utilizaci¨®n de la biomasa son una realidad.

En la misma l¨ªnea de la investigaci¨®n en la que ha participado este investigador del CSIC, cient¨ªficos de la Universidad de York han publicado en Batteries & Supercaps avances en la creaci¨®n de una nueva mol¨¦cula org¨¢nica a base de carbono que puede reemplazar el cobalto que ahora se usa en c¨¢todos o electrodos positivos en bater¨ªas de iones de litio. El nuevo material aborda las deficiencias del material inorg¨¢nico mientras mantiene el rendimiento.