El empleo de dispositivos bio-electroquímicos o bio-baterías basados en sistemas biológicos representará un salto diferencial para la industria de la electrónica hacia el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía para dispositivos portátiles más verdes y sostenibles.

Si bien el uso generalizado de teléfonos móviles, tabletas y relojes o pulseras inteligentes tiene como principales ventajas el poder acceder de manera inmediata a una gran cantidad de información y a una mejor comunicación entre las personas, independientemente de la distancia, la obtención de los materiales que se emplean para la fabricación de algunos componentes de estos dispositivos portables, tiene efectos devastadores para el planeta.

Además, la corta vida útil de estos objetos implica que la acumulación de basura electrónica (e-waste) en algunos lugares del mundo se haya convertido en uno de los principales problemas de contaminación del medio ambiente. Por ello, dentro del marco del proyecto ePROT, CIC energiGUNE se ha propuesto introducir materiales más sostenibles y compatibles para desarrollar sistemas alternativos de almacenamiento de energía inspirados en los materiales existentes en la naturaleza.

A pesar de que muchos sistemas biológicos almacenan energía en su interior, la introducción de biomoléculas en baterías o supercondensadores no es frecuente, debido a que, las condiciones de funcionamiento a los que se somete una batería o un supercondensador, a menudo, hacen inviable la estabilidad de las moléculas biológicas. Sin embargo, poco a poco la distancia que separa ambos campos se está acortando y la siguiente generación de baterías y supercondensadores con altas densidades energéticas, podría venir de la mano de la biotecnología y de la bioingeniería.

Los dispositivos bio-electroquímicos o bio-baterías se podrían definir como aquellos sistemas de almacenamiento de energía en los que se ha incorporado un elemento de naturaleza bio. Esto puede ocurrir de varias maneras: (i) mediante imitación a los elementos ya existentes en la naturaleza, (ii) modificando e incorporando componentes biológicos extraídos de fuentes naturales (biomateriales) o (iii) mediante el empleo de biomoléculas capaces de convertir sustratos en productos.

La imitación o inspiración en soluciones que existen en la naturaleza se conoce como biomimética. Esta solución se basa en la observación y reproducción de estrategias que se han instaurado en la naturaleza para solventar de manera elegante, eficiente y sostenible, los problemas de diseño que han surgido durante la evolución de las especies. Un ejemplo es el uso de bioplantillas en las que los virus u otras moléculas biológicas se usan como andamios para sintetizar materiales en la nanoescala. Esto ha permitido el uso de métodos sostenibles y eficientes para fabricar electrodos de supercondensadores que presentan mayores áreas superficiales.

La segunda estrategia consiste en utilizar los materiales que nos ofrece la naturaleza (biomateriales) para incorporarlos dentro de los sistemas de almacenamiento de energía. Esto se puede hacer por extracción de materiales provenientes de fuentes naturales. Los polisacáridos son el ejemplo más conocido de este grupo y se pueden extraer a partir de plantas, bacterias u hongos. En concreto, la celulosa se ha usado desde los primeros diseños de baterías como separador y, en la actualidad, es bastante conocido su papel como aglutinante y como precursor de electrodos de carbono.

En este segundo grupo también se encuentran ejemplos que utilizan otras biomoléculas como las proteínas y los ácidos grasos. Así la proteína BSA, por ejemplo, se ha empleado para funcionalizar la superficie de las láminas de grafeno reducido con el fin de crear nanoporos que pueden actuar de nanocanales para transportar iones en las intercapas de los electrodos de los supercondensadores. Aunque está menos extendido el uso de ácidos grasos para almacenamiento de energía, su combinación con compuestos orgánicos que absorben luz está dando como resultado la aparición de materiales que pueden almacenar energía térmica durante periodos de tiempo más largos y liberarla cuando se les aplica un estímulo.

Por último, tenemos los sistemas que emplean bioelectrodos que son capaces de aprovechar la energía que se genera mediante la transformación de un sustrato en un producto de reacción. Este tipo de dispositivos se conocen como las bio-pilas de combustible y pueden emplear células o enzimas combinadas con pequeñas moléculas derivadas de la biomasa tales como quinonas, flavinas o porfirinas que son conocidas por sus funciones transportadoras de electrones en los sistemas biológicos.

Las baterías y los condensadores son tecnologías maduras que se emplean en un gran número de aplicaciones comerciales, sin embargo, siguen presentando una importante limitación debido a la dificultad de obtener dispositivos que almacenen energía y que sean flexibles y ligeros. Para ello, el uso de biomoléculas como materiales para cátodos, ánodos o electrolitos, podría permitir la fabricación de dispositivos biomédicos flexibles e implantables con aplicaciones en campos como el diagnóstico, la monitorización o el tratamiento.

Además, la interconexión de esto dispositivos con bases de datos externas mediante internet (el llamado Internet de las Cosas) necesitará emplear dispositivos de almacenamiento de energía, tales como los supercondensadores y las baterías, para alimentar los sistemas añadidos o implantados en el cuerpo.

Por ello, en el desarrollo del proyecto ePROT en el que trabajan CIC energiGUNE y CIC biomaGUNE y que ha sido financiado por la Unión Europea dentro del programa FET-Open, se pretende sustituir los materiales poliméricos empleados hoy en día por alternativas baratas, reciclables y no tóxicas como las proteínas modificadas, que además de asegurar la biocompatibilidad y la biodegradabilidad, permiten la fabricación de dispositivos delgados, ligeros, miniaturizables y capaces de satisfacer las necesidades de la siguiente generación de microsupercondensadores.

En resumen, los efectos devastadores para el planeta que tiene el uso y abuso generalizado de la electrónica de consumo, nos lleva a la necesidad de buscar materiales más sostenibles y compatibles con el medio ambiente. CIC energiGUNE, como centro de referencia en almacenamiento de energía, está comprometido con el medio ambiente y la sostenibilidad. Es por esto que trabaja entre otras alternativas con las bio-baterías, cuyos componentes son materiales totalmente sostenibles, respetuosos con el medio ambiente y además biocompatibles.