KIER sustituye el vanadio con una «batería de flujo redox de viologeno»

Se ha desarrollado una tecnología para reemplazar el material activo en las “baterías de flujo redox” de gran capacidad ESS por una sustancia más asequible.
^{*Batería de Flujo Redox: Término sintetizado a partir de Reducción, Oxidación y Flujo. Es una batería que almacena energía eléctrica como energía química a través de reacciones de oxidación y reducción de materiales activos en el electrolito en la superficie del electrodo y la convierte de nuevo en energía eléctrica cuando es necesario. Es capaz de almacenamiento a gran escala, puede utilizarse a largo plazo mediante la sustitución periódica del electrolito, y su principal ventaja es la ausencia de riesgo de incendio.}

El equipo de investigación del Dr. Seunghae Hwang del Departamento de Investigación de Almacenamiento de Energía del Instituto de Investigación de Energía de Corea ha mejorado con éxito el rendimiento y la vida útil de las baterías de flujo redox, un dispositivo destacado de almacenamiento de energía de gran capacidad, mediante la introducción de grupos funcionales* que sustituyen a los materiales activos y mejoran la solubilidad y la estabilidad.
^{*Grupo funcional: Un grupo de átomos dentro de un compuesto orgánico que determina las propiedades del compuesto y juega un papel en la definición de sus características.}

Para ampliar el uso de energías renovables como la energía solar y eólica, se necesita un sistema de almacenamiento de energía a largo plazo que pueda almacenar la electricidad generada durante las condiciones climáticas favorables durante más de 8 horas y reutilizarla cuando sea necesario. Entre ellos, las baterías de flujo redox, que tienen un menor riesgo de incendio y una larga vida útil de más de 20 años en comparación con las baterías de iones de litio comúnmente utilizadas, están siendo investigadas activamente en todo el mundo. La República de Corea también se está centrando en el desarrollo* de tecnologías de bajo coste y alta eficiencia para una adopción generalizada alrededor de 2030.
^{*Estrategia de Desarrollo de la Industria del Almacenamiento de Energía (octubre de 2023), Ministerio de Comercio, Industria y Energía}

Aunque el vanadio se comercializa actualmente como material activo en las baterías de flujo redox, sus reservas limitadas han impulsado la investigación reciente sobre alternativas. Los compuestos orgánicos como los viologenos, hechos de elementos naturales como el carbono y el oxígeno, son particularmente notables por su asequibilidad y su potencial para reemplazar el vanadio. Sin embargo, los viologenos tienen la desventaja de una baja solubilidad, lo que reduce la densidad energética general, y su inestabilidad cuando se repite la carga y descarga, lo que hace necesaria la elaboración de tecnologías para superar estos problemas.

Para abordar estos problemas, los investigadores han introducido grupos funcionales en los viologenos. Estos grupos funcionales encajan en los viologenos como bloques de montaje, mejorando su solubilidad y estabilidad.

Para aumentar la solubilidad de los viologenos, los investigadores introdujeron grupos funcionales sulfonato y éster, que tienen propiedades hidrofílicas. Estos dos grupos funcionales generan fuerzas atractivas entre las moléculas a través de interacciones con las moléculas de agua (electrolito) en la superficie de los viologenos, facilitando la dispersión de los viologenos en agua.

Los viologenos tienen una estructura similar a un sándwich, compuesta por dos capas moleculares. Durante la carga, estas capas se combinan con frecuencia, cambiando a una estructura que ya no puede almacenar energía. Para abordar esto, los investigadores introdujeron grupos funcionales alfa-metilo que actúan como obstáculos. Estos grupos funcionales introducen una torsión en la estructura en capas y generan repulsión entre las moléculas, suprimiendo las reacciones secundarias y mejorando así la eficiencia y la estabilidad del almacenamiento de energía.

Como resultado de la aplicación del material activo desarrollado por los investigadores a las baterías de flujo redox, se confirmó que la densidad energética mejoraba en más del doble en comparación con las baterías de flujo redox de vanadio. Además, después de 200 ciclos de carga y descarga, las baterías demostraron una eficiencia coulómbica del 99,4% (capacidad de descarga en relación con la capacidad de carga) y una retención de capacidad del 92,4%, lo que indica un rendimiento y una estabilidad mejorados.

La Dra. Seunghae Hwang, primera autora del artículo que contiene los resultados de la investigación, declaró: “En respuesta al cambio climático y para ampliar el uso de las energías renovables, es necesario facilitar el almacenamiento de energía mediante el desarrollo de baterías de flujo redox que tengan tanto competitividad de precios como larga vida útil”. Añadió: “Esta investigación permite el diseño de materiales activos que consiguen tanto la asequibilidad como la longevidad, contribuyendo a la temprana comercialización de las baterías de flujo redox”.

Los resultados de la investigación se publicaron en la prestigiosa revista de ciencia de los materiales “ACS Applied Materials and Interfaces (IF 9.5)”, y el estudio se llevó a cabo con el apoyo del KIER.