Las baterías utilizadas en nuestros teléfonos, dispositivos e incluso automóviles dependen de metales como el litio y el cobalto, que se obtienen mediante una minería intensiva e invasiva. A medida que más productos comiencen a depender de sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías, alejarse de las soluciones basadas en metales será fundamental para facilitar la transición a la energía verde.
Ahora, un equipo de la Universidad Northwestern ha convertido un producto de desecho orgánico a escala industrial en un agente de almacenamiento eficiente para una solución energética sostenible que algún día podría implementarse a una escala mucho mayor. Si bien muchas iteraciones de estas baterías, llamadas baterías de flujo redox, están en producción o bajo investigación para aplicaciones a escala de red, el uso de una molécula de desecho, el óxido de trifenilfosfina (TPPO), marcó la primera vez en el campo.
Muchos procesos de síntesis industrial orgánica producen cada año miles de toneladas de subproductos químicos conocidos, incluida la producción de algunas vitaminas, pero son inútiles y deben eliminarse con cuidado después de la producción.
En un artículo publicado hoy (7 de enero). Revista de la Sociedad Química Estadounidense, Una reacción de “un solo recipiente” permite a los químicos convertir el TPPO en un producto utilizable con un potente potencial de almacenamiento de energía, lo que da lugar a baterías de flujo redox orgánico derivadas de residuos, un tipo de batería imaginado desde hace mucho tiempo, abre la puerta a la viabilidad de
“La investigación sobre baterías ha estado tradicionalmente dominada por ingenieros y científicos de materiales”, dijo el químico y autor principal de Northwestern, Christian Malapet. “Los químicos sintéticos pueden contribuir al campo mediante la ingeniería molecular de un producto de desecho orgánico para convertirlo en una molécula de almacenamiento de energía. Nuestro descubrimiento demuestra el potencial de convertir compuestos de desecho en recursos valiosos, lo que ofrece un camino sostenible para la innovación en la tecnología de baterías”.
Malapit es profesor asistente en el Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern.
Actualmente, una pequeña parte del mercado de baterías, se espera que el mercado de baterías de flujo redox crezca un 15% entre 2023 y 2030 hasta alcanzar los 700 millones de euros en todo el mundo. A diferencia de las baterías de litio y otras baterías de estado sólido que almacenan energía en electrodos, las baterías de flujo redox utilizan una reacción química para bombear energía de un lado a otro entre los electrolitos, donde se almacena su energía. Aunque no son tan eficientes en el almacenamiento de energía, las baterías de flujo redox se consideran una solución más prometedora para el almacenamiento de energía a escala de red.
“No sólo se puede utilizar una molécula orgánica, sino que también puede lograr una alta densidad de energía, acercándose a la de sus competidores basados en metales, con alta estabilidad”, dijo Emily Mahoney, Ph.D. candidato en el laboratorio de Malapet y primer autor del artículo. “Tradicionalmente, estos dos parámetros han sido difíciles de optimizar juntos, por lo que poder demostrar esto para una molécula derivada de desechos es particularmente emocionante”.
Para lograr tanto densidad de energía como estabilidad, el equipo necesitaba identificar una estrategia que permitiera empaquetar los electrones en la solución sin perder su capacidad de almacenamiento con el tiempo. Miró hacia atrás y encontró un artículo de 1968 que describía la electroquímica de los óxidos de fosfina y, según Mahoney, “lo siguió”.
Luego, para evaluar la flexibilidad de la molécula como agente potencial de almacenamiento de energía, el equipo realizó experimentos de carga y descarga electroquímica estática similares al proceso de cargar la batería, usar la batería y luego cargarla repetidamente. Después de 350 ciclos, la batería mantuvo una salud notable y perdió una capacidad insignificante con el tiempo.
“Este es el primer caso en el que se utilizan óxidos de fosfina, un grupo funcional de la química orgánica, como componente activo redox en la investigación de baterías”, afirmó Malapet. “Tradicionalmente, los óxidos de fosfina reducidos son muy inestables. Nuestro enfoque de ingeniería molecular supera esta inestabilidad, allanando el camino para su uso en el almacenamiento de energía”.
Mientras tanto, el grupo espera que otros investigadores se hagan cargo y comiencen a trabajar con la TPPO para perfeccionar y mejorar aún más sus capacidades.
Esta investigación fue apoyada por una subvención inicial de Northwestern, la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía (DE-FG02-99ER14999) y una beca de investigación para graduados de la Fundación Nacional de Ciencias.
