Éste es el objetivo del proyecto HIGREEW coordinado por CIC energiGUNE y que ha permitido la integración de un prototipo de “batería de flujo redox orgánica” en una planta de energías renovables. La ingeniería molecular y las herramientas de computación son elementos fundamentales en esta búsqueda para sondear el basto espacio químico que comprenden estas baterías.

En artículos anteriores ya hemos dado una pincelada sobre el funcionamiento de estas baterías y las ventajas que su particular diseño implica. Entre estas ventajas, cabe destacar el desacoplamiento de potencia y energía, el uso generalizado de soluciones acuosas como electrolitos seguros no inflamables y la excelente estabilidad y durabilidad de sus componentes, lo que contribuye también a un menor impacto medioambiental.

La sostenibilidad de estas baterías también fue tratada en otro de nuestros artículos  y es un aspecto clave en la implantación masiva de sistemas de almacenamiento de energía, tal y como lo contempla la agenda de la Comisión Europea.

Baterías de flujo orgánicas

Más allá de la durabilidad de los materiales, se debe considerar el impacto de la extracción de los mismos o de la fabricación de los componentes de la celda. Siendo el electrolito el componente más abundante de la batería y el de mayor impacto medioambiental, el foco se sitúa en la química de estas baterías.

En este sentido, se podría decir que las baterías basadas en materiales orgánicos cuentan con el argumento irrefutable de la alta disponibilidad de materias primas; no en vano, estos materiales constan principalmente de Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno y Oxígeno.

El diseño de materiales se ha fundamentado en los conocimientos de la química orgánica y en la naturaleza como fuente de inspiración. De este modo, compuestos de gran relevancia en la química de los seres vivos como las alloxazinas o las quinonas, que participan en los mecanismos metabólicos y de respiración, respectivamente, han sido modificados para su empleo en baterías.

La ingeniería molecular ha permitido introducir cambios estructurales para preservar la actividad de estos compuestos al tiempo que definir sus propiedades. La estabilidad, potencial redox y solubilidad en agua son los aspectos claves que definen la eficiencia y la densidad de energía de las baterías de flujo. Así, la formación de sales es una estrategia extendida para mejorar la solubilidad.

Hoy en día, las familias de compuestos como las quinonas, los viológenos, las pirazinas o los radicales nitroxilo son los más explorados. Cada familia de materiales presenta sus particularidades, y mientras que unos materiales son adecuados para operar a pH neutro, un medio suave y menos dañino, otros materiales más robustos permiten trabajar en todo el rango de pH, desde acido hasta alcalino.

La familia de las quinonas es un ejemplo de la versatilidad de estos compuestos que pueden operar en todo el rango de pH y actuar tanto como materiales de ánodo como de cátodo. Sin embargo, estos ejemplos no son sino una muesca en la superficie de este basto espectro de posibilidades. Y es que son las innumerables combinaciones de los citados bioelementos las que darían lugar a materiales activos con altas prestaciones, es decir, potenciales materiales ideales.

Cálculos computacionales

Aun restringiendo las posibilidades considerando aspectos como la solubilidad, la difusión de los materiales y la complejidad de las estructuras, lo cual se traduce principalmente en limitar el tamaño de las moléculas empleadas, las posibles combinaciones resultantes superan los cientos de billones. Ha quedado de manifiesto la necesidad imperiosa de introducir herramientas de cálculo computacional para la selección de candidatos a ser estudiados.

En CIC energiGUNE hemos ido más allá en el uso de estas herramientas, típicamente empleadas para la predicción de propiedades intrínsecas de los materiales. Esta primera aproximación, ayuda en la identificación de las prestaciones de las baterías en términos como densidad energética. Sin embargo, la durabilidad, aspecto clave de estas baterías, requiere de estudios dirigidos a entender y predecir el comportamiento de estos materiales a largo plazo y en operación.

Un estudio que combina cálculos computacionales y ensayos experimentales en colaboración con la UAM nos ha permitido relacionar estructura química y estabilidad. Mediante cálculos de DFT se ha podido evaluar el desempeño de los compuestos orgánicos tanto en su forma cargada como descargada, siendo la primera la más crítica y menos estudiada. Se han combinado los cálculos con ensayos de ciclado y caracterizaciones experimentales para derivados de viológeno con distintos motivos estructurales. En este caso, el estudio de las cargas de Mulliken y los orbitales naturales de enlace permitió identificar al viológeno más estable de entre los compuestos diseñados y sintetizados. El compuesto señalado mediante la predicción presentó una estabilidad cuatro veces superior.

Viológenos y actuales retos

Los viológenos son compuestos de especial interés ya que se pueden obtener mediante síntesis directa a partir de precursores comerciales en procesos fácilmente escalables. Cabe destacar el interés de estos compuestos para dar lugar a baterías acuosas de alto voltaje y que operan en pH neutro. Baterías acuosas que operan con electrolitos no dañinos, ni inflamables y basadas en compuestos orgánicos abundantes. Esta es la perspectiva que ofrecen estas baterías.

Sin embargo, la estabilidad de estos compuestos orgánicos trasciende como el principal reto de la tecnología, si bien no pueden establecerse generalidades en un concepto tan amplio como el de baterías de flujo orgánicas. Es ahí donde CIC energiGUNE está poniendo sus esfuerzos trabajando en nuevos diseños de materiales guiados por herramientas computacionales.

Los recientes avances nos han permitido dar pasos hacía compuestos estables sin pérdidas evidentes de capacidad y que permiten operar con voltajes de celda superiores a 1.2 V. Señal de que las nuevas generaciones de baterías de flujo redox están en camino.