Electrolitos, membranas y stacks: el rendimiento depende de todo el sistema

Una de las áreas con mayor potencial es el desarrollo de moléculas orgánicas como materiales activos.

A diferencia de los metales, estas moléculas ofrecen una gran flexibilidad de diseño. Su estructura puede modificarse para ajustar propiedades como el potencial redox, la solubilidad o la estabilidad química, abriendo la puerta a electrolitos adaptados a diferentes requisitos de operación.

Sin embargo, esta flexibilidad también introduce nuevos retos. La degradación química, el crossover, la viscosidad, la estabilidad electroquímica y la compatibilidad con el resto de componentes pueden determinar si una molécula prometedora acaba funcionando de manera efectiva dentro de una batería.

Esto pone de manifiesto uno de los principales desafíos de la tecnología: no es suficiente con optimizar una única propiedad de forma aislada. Mejorar la solubilidad puede afectar a otras características del electrolito; cambiar la química puede obligar a replantear la membrana; y una solución que funciona en una celda de laboratorio puede comportarse de forma diferente cuando se integra en un sistema de mayor tamaño.

En CIC energiGUNE abordamos este problema desde un enfoque que conecta el diseño de nuevas moléculas activas con su comportamiento dentro de la batería, poniendo especial énfasis en alternativas que puedan permitir sistemas más estables y sostenibles y con una menor dependencia de materias primas críticas.

Un reto similar aparece con las membranas. Su función es permitir el transporte iónico necesario para el funcionamiento de la batería al tiempo que limitan la transferencia de especies activas de un electrolito al otro. Alcanzar este equilibrio es complejo: una resistencia elevada reduce la eficiencia, mientras que una permeabilidad excesiva aumenta el crossover y puede acelerar la pérdida de rendimiento.

Además, las membranas deben mantener sus propiedades durante años mientras permanecen en contacto con electrolitos que pueden presentar condiciones químicas muy exigentes. Por ello, deben optimizar simultáneamente el coste, la selectividad, la conductividad y la estabilidad química.

Este es otro ámbito en el que existe un amplio margen para ir más allá de las soluciones convencionales. En CIC energiGUNE investigamos nuevos conceptos de membrana específicamente adaptados a la química y a las condiciones de operación de cada batería, incluyendo alternativas orientadas a reducir costes y avanzar hacia materiales no fluorados.

La clave reside precisamente en esta adaptación: no existe necesariamente una única membrana óptima para todas las baterías de flujo redox. Su diseño debe responder al electrolito, al entorno químico, al transporte de especies y al rendimiento esperado del sistema.

Lo mismo ocurre con el stack, donde tiene lugar la conversión electroquímica.

El electrolito representa solo una parte del coste total de una batería de flujo redox. Las membranas, los electrodos, las placas bipolares, las bombas, los tanques, las tuberías, los sensores y la electrónica de potencia tienen un impacto directo sobre el CAPEX, el rendimiento y las necesidades de mantenimiento.

Otra prioridad consiste, por tanto, en aumentar la densidad de potencia del stack reduciendo al mismo tiempo su coste y complejidad de fabricación.

Las placas bipolares son especialmente importantes. Deben proporcionar una elevada conductividad eléctrica, resistencia química y estabilidad mecánica y, al mismo tiempo, mantener un coste competitivo.

También en este ámbito existen oportunidades de innovación que van más allá de optimizar un componente aislado. CIC energiGUNE trabaja en nuevos materiales y configuraciones para componentes de stack, prestando especial atención a su integración, rendimiento y potencial de fabricación a mayor escala.

Este enfoque ayuda a abordar uno de los principales cuellos de botella del sector: transformar componentes que funcionan correctamente en el laboratorio en soluciones que puedan fabricarse de forma reproducible e integrarse en stacks progresivamente mayores.

La innovación en baterías de flujo redox no tiene, sin embargo, por qué limitarse a mejorar los sistemas existentes. También es posible cuestionar algunos de sus planteamientos de partida: reducir el consumo de vanadio sin perder las ventajas de esta química; desarrollar sistemas basados en materiales más abundantes; o explorar arquitecturas de flujo único son algunas de las estrategias que podrían modificar sustancialmente la estructura de costes y el rendimiento de las futuras generaciones de baterías.

En CIC energiGUNE exploramos precisamente conceptos que combinan químicas alternativas, nuevas arquitecturas y estrategias orientadas a reducir el uso de materias primas críticas, junto con nuevos enfoques para mejorar los sistemas basados en vanadio.

Son vías diferentes, pero todas responden a la misma pregunta: ¿cómo podemos conservar las ventajas que hacen atractiva una batería de flujo redox y, al mismo tiempo, eliminar los factores que actualmente dificultan su competitividad?

De unos buenos resultados electroquímicos a un sistema competitivo

Aquí reside precisamente uno de los mayores retos de las baterías de flujo redox: el escalado.

Un buen resultado electroquímico obtenido en el laboratorio no garantiza que pueda mantenerse el mismo comportamiento cuando aumenta el tamaño de la celda, se ensamblan múltiples unidades en un stack o se integran todos los componentes de un sistema real.

Durante el escalado aparecen nuevos fenómenos. Una distribución no uniforme del electrolito, diferencias de presión, pérdidas parásitas, corrientes de derivación, problemas de gestión térmica o variaciones entre celdas pueden alterar de forma significativa el rendimiento observado a pequeña escala.

Por ello, el desarrollo industrial requiere conectar diferentes niveles: diseño molecular, formulación del electrolito, desarrollo de membranas, estudios de transporte, validación de celdas, diseño y ensayo de stacks, modelización y análisis del sistema completo.

Esta conexión entre escalas es uno de los elementos diferenciales del enfoque de CIC energiGUNE. El trabajo no termina cuando se identifica un material prometedor: las distintas capacidades del centro permiten estudiar cómo evoluciona su comportamiento a medida que pasa de material a componente, de componente a celda y de celda a sistema, incorporando además modelización y análisis de sostenibilidad y costes.

Esta perspectiva resulta especialmente relevante en una tecnología en la que muchas de las principales barreras aparecen precisamente durante el proceso de integración.

El próximo gran salto de las baterías de flujo redox probablemente no procederá de una única mejora espectacular, sino de conseguir que el electrolito, la membrana, los electrodos, el stack y el balance de planta evolucionen de manera coordinada.

Las baterías de flujo redox ya han demostrado que pueden proporcionar un almacenamiento seguro, una alta capacidad de ciclado y una larga vida útil. Ahora deben demostrar que estas características pueden mantenerse en sistemas de mayor escala, fabricados de manera consistente y a un coste competitivo.

Esto implica también mirar más allá del precio inicial de la batería. En aplicaciones de almacenamiento de larga duración, parámetros como la degradación, el número total de ciclos, la eficiencia, el mantenimiento y la vida útil tienen un impacto decisivo sobre el Coste Nivelado de Almacenamiento (LCOS) y, por tanto, sobre la economía real del proyecto.

Por ello, es poco probable que exista una única química ganadora. Las baterías de flujo redox deben entenderse como una plataforma complementaria dentro de una futura cartera de tecnologías de almacenamiento energético. Cuando la densidad energética o el espacio ocupado sean las principales prioridades, otras soluciones pueden resultar más adecuadas. Pero cuando las largas duraciones de descarga, el ciclado intensivo, la seguridad, la longevidad y la baja degradación se convierten en factores decisivos, su propuesta de valor puede ser muy diferente.

El reto de los próximos años consistirá en transformar también esa ventaja técnica en una ventaja industrial.

El futuro de las baterías de flujo redox no dependerá únicamente de encontrar una química mejor. Dependerá de la eficacia con la que puedan integrarse y escalarse los materiales, los componentes, los stacks y los sistemas completos para ofrecer un funcionamiento fiable a largo plazo, unas necesidades de mantenimiento asumibles y un coste de almacenamiento competitivo durante toda la vida útil en aplicaciones reales.