​Una batería que dura 10 años y podría cambiar el mundo

Investigadores de la  Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences  (SEAS, EEUU) han desarrollado una nueva batería de flujo que almacena energía en moléculas orgánicas disueltas en agua con un pH neutro.

Este proceso químico hace posible una batería no tóxica, que no se corroe, y con una vida útil excepcionalmente larga. Además, el sistema podría disminuir significativamente los costos de producción.

La investigación, publicada en ACS Energy Letters, ha sido dirigida por los especialistas en ciencias de los materiales de dicha Escuela de Ingeniería, Michael Aziz y Roy Gordon.

En general, una batería de flujo es un tipo de batería recargable. En ella, la recarga es posible gracias a dos componentes químicos disueltos en líquidos y contenidos dentro del sistema, separados por una membrana.

El intercambio de iones (que es lo que proporciona el flujo de corriente eléctrica) entre ambos componentes disueltos o electrolitos se produce a través de la membrana mencionada, mientras los dos líquidos circulan por su espacio correspondiente. 

Las baterías de flujo almacenan esa energía que producen en soluciones líquidas situadas en tanques externos. Cuanto más grandes son los tanques, más energía pueden almacenar, por lo que durante un tiempo han sido contempladas como una posible solución de almacenamiento de energía renovable e intermitente, como el viento o la energía solar.

Sin embargo, hasta ahora, estas baterías han presentado un problema: tras muchos ciclos de carga y descarga, sufren una degradación de su capacidad de almacenamiento energético, por lo que requieren mantenimiento periódico para restaurarla.

Cambiar el mundo

Ahora, mediante la modificación de las estructuras moleculares utilizadas en las soluciones de los electrolitos positivo y negativo, el equipo de Harvard ha logrado diseñar una batería que pierde sólo un 1% de su capacidad en 1.000 ciclos.

En comparación, las baterías de iones de litio ni siquiera sobreviven a 1.000 ciclos completos de carga y descarga, afirma Aziz. “Debido a que pudimos disolver los electrolitos en agua con PH neutro, esta es una batería de larga duración que podrías poner en tu sótano", señala por su parte Gordon.

Por otro lado, como las soluciones empleadas en estas baterías no son corrosivas, para la construcción de sus  componentes –como tanques y bombas- se pueden usar materiales más baratos.

Esta reducción del costo es importante. El Departamento de Energía (DOE, por sus siglas en inglés) de EEUU se ha fijado el objetivo de construir una batería que pueda almacenar energía por menos de 100 dólares por kilovatio hora, lo que haría que el viento y la energía solar almacenados fueran competitivos con la energía producida por las centrales eléctricas tradicionales.

"Si puedes acercarte a esta meta de costos, entonces cambiarás el mundo", asegura Aziz. Sería rentable poner las baterías en muchos lugares (incluso podrían formar parte de la infraestructura de las redes eléctricas). La investigación supone un paso adelante hacia ese el objetivo de crear baterías con una vida de ciclo enormemente mejorada y un coste considerablemente menor.

Un logro molecular

La clave para el diseño de la batería fue descubrir por qué las moléculas presentes en soluciones neutras se degradaban tan rápidamente. Para ello, en primer lugar los científicos analizaron la descomposición de la llamada molécula de viológeno, presente en el ectrolito negativo. A continuación lograron modificar su estructura para hacerla más resistente.

Luego, el equipo se centró en el ferroceno presente en el electrolito positivo. El ferroceno es otra molécula, bien conocida por sus propiedades electroquímicas, ideal para almacenar carga, pero completamente insoluble en agua (hasta ahora).

Mediante manipulación molecular, los investigadores lograron convertir el ferroceno  en una molécula altamente soluble. Ahora, es una clase completamente nueva de molécula para baterías de flujo, según Aziz.

Por otro lado, el pH neutro del agua de las soluciones electrolíticas puede reducir el coste de la membrana selectiva de iones que separa los dos lados de la batería. Actualmente, la mayoría de las baterías de flujo usan polímeros caros que puedan soportar los procesos químicos agresivos que se dan en el interior de la batería.

Estos polímeros pueden representar hasta un tercio del coste total del dispositivo. Usando  esencialmente agua salada en ambos lados de la membrana, los polímeros costosos podrían ser reemplazados por hidrocarburos baratos.

Referencia bibliográfica:

Eugene S. Beh, Diana De Porcellinis, Rebecca Gracia, Kay Xia, Roy G Gordon, Michael Aziz. A Neutral pH Aqueous Organic/Organometallic Redox Flow Battery with Extremely High Capacity Retention. ACS Energy Letters (2017). DOI: 10.1021/acsenergylett.7b00019.