La nueva tecnología promete mejorar drásticamente el rendimiento de las baterías, las celdas de combustible y los electrolizadores que producen hidrógeno verde y otros combustibles a partir de la electricidad. El avance, utilizado en un tipo de «batería de flujo» que se está volviendo común para almacenar energía renovable, aumentó cinco veces la velocidad a la que la batería podría proporcionar energía. Ese aumento en el rendimiento podría reducir drásticamente el costo de almacenar energía verde para su uso en la red, facilitando que las sociedades cambien completamente de combustibles fósiles a energías renovables.
“Este es realmente un desarrollo emocionante”, dice Michael Aziz, un experto en baterías de flujo de la Universidad de Harvard. Young Moo Lee, electroquímico de la Universidad de Hanyang, está de acuerdo y dice que los beneficios podrían generalizarse. “También podría aplicarse a otros dispositivos”. Ninguno de los dos participó en el nuevo trabajo.
En esencia, las baterías, las celdas de combustible y otros dispositivos electroquímicos tienen un aspecto similar. Por lo general, albergan dos electrodos separados entre sí por una membrana que regula el flujo de iones portadores de carga de un lado a otro a través de un electrolito fluido. Cuando estos dispositivos se cargan o descargan, los electrones viajan a través de un cable externo y los iones portadores de carga pasan a través de la membrana de un electrodo al otro para equilibrar las cargas eléctricas. La membrana juega un papel crítico, actuando como un guardián molecular para permitir que solo ciertos iones pasen y bloqueen todos los demás. Pero en la práctica, estos guardianes a menudo son demasiado entusiastas, lo que ralentiza el paso de los iones que deben dejar pasar, lo que reduce el rendimiento del dispositivo.
En una versión de las baterías de flujo denominadas baterías de flujo redox orgánicas acuosas, por ejemplo, las membranas deben permitir que los iones de potasio cargados positivamente pasen de un lado a otro entre los dos lados de la membrana, al tiempo que bloquean el paso de compuestos orgánicos que podrían acabar con el funcionamiento de la batería. . Las membranas tradicionales hechas de polímeros orgánicos hacen un trabajo decente al garantizar que solo los iones de potasio se muevan de un lado a otro. Pero los polímeros en estas membranas tienden a sacudirse continuamente, chocando con los iones y ralentizando su paso.
Para evitar esto, los investigadores dirigidos por Zhengjin Yang, químico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, fabricaron una serie de membranas a partir de un polímero conocido como marco de triazina. El polímero es capaz de ensamblarse en un andamio rígido plagado de pequeños poros que son lo suficientemente pequeños como para impedir que pasen todas las moléculas de agua y los iones más pequeños. Tener las moléculas de agua alrededor es bueno, ya que ayudan a que los iones cargados se deslicen a través de los poros.
Para acelerar aún más este transporte, Yang y su equipo también modificaron sus materiales de partida de triazina para que los poros rígidos estuvieran revestidos con grupos sulfonato cargados negativamente. Estos grupos actúan como una brigada de baldes moleculares para agarrar iones de potasio cargados positivamente y pasarlos rápidamente al siguiente sulfonato anclado en la línea, lo que ayuda a que los iones atraviesen la membrana prácticamente sin obstáculos.
Cuando los investigadores, incluidos colegas del Reino Unido y Alemania, usaron la mejor iteración de su nueva membrana para hacer una batería de flujo redox orgánico acuoso, el flujo de iones más resbaladizo permitió que las baterías se descargaran y cargaran cinco veces más rápido que baterías similares con una membrana tradicionalinforman hoy en Naturaleza.
“Esperábamos una mejora significativa en las membranas para las baterías de flujo”, dice Aziz, quien anteriormente se desempeñó como asesor postdoctoral de Yang. «Esto parece que podría ser».
Sin embargo, las nuevas membranas aún tienen un camino por recorrer para demostrar que son lo suficientemente duraderas y confiables para uso industrial, dice Michael Guiver, químico de la Universidad de Tianjin. Y Lee señala que aunque la química de los compuestos de triazina los hace ideales para trabajar en el agua, es posible que no resistan los electrolitos ácidos o alcalinos que se usan en otros dispositivos electroquímicos. Sin embargo, dice, otros investigadores deberían poder adoptar los mismos principios para diseñar membranas para otros usos y, por lo tanto, mejorar el rendimiento de una amplia gama de tecnologías de energía verde.
Eso significa que las nuevas membranas probablemente no aparecerán primero en los productos de consumo, como las baterías de los teléfonos móviles. Pero el avance podría ayudar a abordar una de las mayores preocupaciones sobre el cambio de la sociedad a la energía renovable, a saber, proporcionar energía cuando el sol no brilla y los vientos están en calma. Membranas más económicas y eficientes significan que baterías más pequeñas y económicas pueden almacenar la misma cantidad de energía para suministrar a los consumidores durante la noche. También podría reducir el costo de los electrolizadores, que pueden convertir la electricidad renovable en hidrógeno y otros combustibles que pueden almacenarse durante meses o años, y reducir el costo de las celdas de combustible que convierten esos combustibles nuevamente en electricidad cuando sea necesario.
No está mal para una pieza de tecnología que la mayoría de nosotros nunca veremos.
