De la basura al tesoro: aprovechar los residuos industriales para almacenar energía
Por primera vez se utilizan residuos orgánicos no deseados en la investigación de baterías de flujo redox
Las baterías utilizadas en nuestros teléfonos, dispositivos e incluso coches dependen de metales como el litio y el cobalto, obtenidos mediante una minería intensiva e invasiva. A medida que más productos empiecen a depender de sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías, será fundamental abandonar las soluciones basadas en metales para facilitar la transición hacia la energía verde.
Emily Mahoney trabaja en la producción de baterías de flujo redox.
Malapit Lab/Northwestern University
Ahora, un equipo de la Universidad Northwestern ha transformado un producto orgánico de desecho a escala industrial en un eficaz agente de almacenamiento para soluciones energéticas sostenibles que algún día podrán aplicarse a escalas mucho mayores. Aunque muchas iteraciones de estas baterías, denominadas baterías de flujo redox, están en producción o se investigan para aplicaciones a escala de red, el uso de una molécula de desecho -el óxido de trifenilfosfina (TPPO)- supuso una primicia en este campo.
Miles de toneladas de este conocido subproducto químico se producen cada año en muchos procesos de síntesis industrial orgánica -incluida la producción de algunas vitaminas, entre otras cosas-, pero resulta inservible y debe desecharse cuidadosamente tras su producción.
En un artículo publicado en el Journal of the American Chemical Society, una reacción de "una sola olla" permite a los químicos convertir el TPPO en un producto utilizable con un gran potencial para almacenar energía, lo que abre la puerta a la viabilidad de las baterías de flujo redox orgánicas derivadas de residuos, un tipo de batería largamente imaginado.
"La investigación sobre baterías ha estado tradicionalmente dominada por ingenieros y científicos de materiales", afirma Christian Malapit, químico de Northwestern y autor principal. "Los químicos sintéticos pueden contribuir a este campo transformando molecularmente un residuo orgánico en una molécula que almacene energía. Nuestro descubrimiento muestra el potencial de transformar compuestos de desecho en recursos valiosos, ofreciendo una vía sostenible para la innovación en tecnología de baterías."
Malapit es profesor adjunto del departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern.
Aunque en la actualidad constituye una pequeña parte del mercado de las baterías, se espera que el mercado de las baterías de flujo redox aumente un 15% entre 2023 y 2030 hasta alcanzar un valor de 700 millones de euros en todo el mundo. A diferencia de las baterías de litio y otras baterías de estado sólido que almacenan energía en electrodos, las baterías de flujo redox utilizan una reacción química para bombear energía de un lado a otro entre electrolitos, donde se almacena su energía. Aunque no son tan eficientes en el almacenamiento de energía, se cree que las baterías de flujo redox son soluciones mucho mejores para el almacenamiento de energía a escala de red.
"No sólo se puede utilizar una molécula orgánica, sino que también se puede conseguir una alta densidad energética -que se acerca a la de sus competidoras metálicas- y una gran estabilidad", explica Emily Mahoney, candidata al doctorado en el laboratorio de Malapit y primera autora del artículo. "Tradicionalmente ha sido difícil optimizar estos dos parámetros a la vez, por lo que es especialmente emocionante poder demostrarlo con una molécula derivada de residuos".
Para conseguir densidad energética y estabilidad, el equipo tenía que encontrar una estrategia que permitiera a los electrones empaquetarse juntos en la solución sin perder capacidad de almacenamiento con el tiempo. Miraron al pasado y encontraron un artículo de 1968 que describía la electroquímica de los óxidos de fosfina y, según Mahoney, "corrieron con él".
A continuación, para evaluar la resistencia de la molécula como posible agente de almacenamiento de energía, el equipo realizó pruebas mediante experimentos de carga y descarga electroquímica estática similares al proceso de cargar una batería, utilizarla y volver a cargarla, una y otra vez. Tras 350 ciclos, la batería mantuvo una salud notable, perdiendo una capacidad insignificante con el paso del tiempo.
"Es la primera vez que se utilizan óxidos de fosfina, un grupo funcional de la química orgánica, como componente redox activo en la investigación de baterías", explica Malapit. "Tradicionalmente, los óxidos de fosfina reducidos son muy inestables. Nuestro enfoque de ingeniería molecular aborda esta inestabilidad, allanando el camino para su aplicación en el almacenamiento de energía".
Mientras tanto, el grupo espera que otros investigadores recojan el testigo y empiecen a trabajar con TPPO para optimizar y mejorar aún más su potencial.
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