Las nuevas herramientas muestran el camino a seguir para el almacenamiento a gran escala de las energías renovables

Una técnica basada en los principios de la resonancia magnética y la RMN ha permitido a los investigadores observar no sólo cómo funcionan las baterías de próxima generación para el almacenamiento de energía a gran escala, sino también cómo fallan, lo que ayudará a desarrollar estrategias para prolongar la vida útil de las baterías en apoyo de la transición a un futuro sin emisiones de carbono.

Las nuevas herramientas, desarrolladas por investigadores de la Universidad de Cambridge, ayudarán a los científicos a diseñar sistemas de baterías más eficientes y seguros para el almacenamiento de energía a escala de red. Además, la técnica podrá aplicarse a otros tipos de baterías y celdas electroquímicas para desentrañar los complejos mecanismos de reacción que se producen en estos sistemas, así como para detectar y diagnosticar fallos.

Los investigadores probaron sus técnicas en baterías orgánicas de flujo redox, candidatas prometedoras a almacenar suficiente energía renovable para alimentar pueblos y ciudades, pero que se degradan demasiado rápido para las aplicaciones comerciales. Los investigadores descubrieron que, cargando las baterías a un voltaje más bajo, podían ralentizar significativamente el ritmo de degradación, alargando su vida útil. Losresultados se publican en la revista Nature.

Las baterías son una pieza fundamental en la transición hacia el abandono de las fuentes de energía basadas en los combustibles fósiles. Sin baterías capaces de almacenar energía a escala de red, será imposible alimentar la economía utilizando únicamente energías renovables. Y las baterías de iones de litio, aunque son adecuadas para la electrónica de consumo, no son fáciles de ampliar hasta un tamaño suficiente para almacenar la energía necesaria para alimentar una ciudad entera, por ejemplo. Los materiales inflamables de las baterías de iones de litio también suponen un riesgo potencial para la seguridad. Cuanto más grande sea la batería, más daños podría causar si se incendia.

Las baterías de flujo redox son una posible solución a este rompecabezas tecnológico. Constan de dos tanques de líquido electrolítico, uno positivo y otro negativo, y pueden ampliarse simplemente aumentando el tamaño de los tanques, lo que las hace muy adecuadas para el almacenamiento de energía renovable. Estas baterías no inflamables, del tamaño de una habitación o incluso de un edificio, pueden desempeñar un papel fundamental en las futuras redes de energía verde.

Varias empresas están desarrollando actualmente baterías de flujo redox para aplicaciones comerciales, la mayoría de las cuales utilizan vanadio como electrolito. Sin embargo, el vanadio es caro y tóxico, por lo que los investigadores de baterías están trabajando para desarrollar una batería de flujo redox basada en materiales orgánicos, que son más baratos y sostenibles. Sin embargo, estas moléculas tienden a degradarse rápidamente.

"Como las moléculas orgánicas tienden a descomponerse rápidamente, la mayoría de las baterías que las utilizan como electrolitos no duran mucho, lo que las hace inadecuadas para aplicaciones comerciales", explica el Dr. Evan Wenbo Zhao, del Departamento de Química de Cambridge y primer autor del artículo. "Aunque lo sabemos desde hace tiempo, lo que no siempre hemos entendido es por qué ocurre esto".

Ahora, Zhao y sus colegas del grupo de investigación de la profesora Clare Grey en Cambridge, junto con colaboradores del Reino Unido, Suecia y España, han desarrollado dos nuevas técnicas para asomarse al interior de las baterías orgánicas de flujo redox con el fin de entender por qué se rompe el electrolito y mejorar su rendimiento.

Mediante estudios de resonancia magnética nuclear (RMN) en "tiempo real", una especie de "resonancia magnética funcional para baterías", y métodos desarrollados por el grupo del profesor Grey, los investigadores pudieron leer las señales de resonancia de las moléculas orgánicas, tanto en sus estados originales como cuando se degradan en otras moléculas. Estos estudios de RMN "operando" de la degradación y la autodescarga de las baterías de flujo redox proporcionan información sobre los mecanismos internos subyacentes de las reacciones, como la formación de radicales y las transferencias de electrones entre las distintas especies redox activas en las soluciones.

"Hay pocos estudios mecanísticos insitu de las baterías de flujo redox orgánicas, sistemas que actualmente están limitados por los problemas de degradación", dijo Grey. "Tenemos que entender tanto cómo funcionan estos sistemas como cómo fallan si queremos avanzar en este campo".

Los investigadores descubrieron que, en determinadas condiciones, las moléculas orgánicas tendían a degradarse más rápidamente. "Si cambiamos las condiciones de carga cargando a un voltaje más bajo, el electrolito dura más", dijo Zhao. "También podemos cambiar la estructura de las moléculas orgánicas para que se degraden más lentamente. Ahora entendemos mejor por qué las condiciones de carga y las estructuras moleculares son importantes".

Los investigadores quieren ahora aplicar su configuración de RMN a otros tipos de baterías orgánicas de flujo redox, así como a otros tipos de baterías de próxima generación, como las de litio-aire.

"Estamos entusiasmados con la amplia gama de aplicaciones potenciales de este método para monitorizar una variedad de sistemas electroquímicos mientras están en funcionamiento", dijo Grey.

Por ejemplo, la técnica de RMN se utilizará para desarrollar un dispositivo portátil de "comprobación de la salud" de las baterías para diagnosticar su estado.

"Con un dispositivo de este tipo se podría comprobar el estado del electrolito de una batería orgánica de flujo redox en funcionamiento y sustituirlo si fuera necesario", dijo Zhao. "Dado que el electrolito de estas baterías es barato y no es tóxico, se trataría de un proceso relativamente sencillo, que prolongaría la vida de estas baterías".

La investigación ha sido financiada en parte por el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC) y por Shell.

Autor: Universidad de Cambridge

Crédito de la imagen: Unsplash

Este artículo se publica bajo licencia Creative Commons Attribution 4.0 International.