Desarrollan baterías de flujo para almacenar energía

Tres grupos de investigación de la Facultad de Química (FQ) trabajan en un proyecto multidisciplinario que busca generar dispositivos para almacenar energía eléctrica, entre ellas baterías de flujo, para aprovechar las energías renovables como la solar o la eólica, las cuales posteriormente podrían suministrar a la red eléctrica del país.

Este plan es liderado por el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), bajo la coordinación de Joep Pijpers, y en él colaboran diversas instituciones educativas.

En la iniciativa participan los equipos de trabajo de Carlos Amador Bedolla, director de la FQ, y adscrito al Departamento de Física y Química Teórica; el de Sergio Rozenel Domenella, de Fisicoquímica, y el de Víctor Manuel Ugalde Saldívar, de Química Inorgánica y Nuclear.

Electrolitos adecuados

La investigación pretende desarrollar electrolitos orgánicos adecuados para su uso en una batería de flujo, la cual se empleará para almacenar energía eléctrica, y aprovechar las energías renovables, explicó en entrevista Ugalde Saldívar.

Puntualizó que en el grupo de Carlos Amador realizan la estimación teórica de posibles compuestos útiles, por medio del diseño en computadora, y una vez establecidos los candidatos con características fisicoquímicas óptimas, en el equipo de Sergio Rozenel se encargan de su síntesis y caracterización; posteriormente, en el laboratorio de Víctor Ugalde, se hacen las pruebas electroquímicas para determinar si pueden ser operativos para su empleo en baterías de flujo redox orgánicas.

Uno de los propósitos de los académicos en su primer año de labor fue reproducir otras indagaciones, en las cuales usaron antraquinonas funcionalizadas, particularmente el ácido antraflávico (2,6-dihidroxiantraquinona) en medio alcalino, el cual es uno de los componentes empleados para almacenar o generar electricidad.

Después, se hizo un trabajo de exploración con bipiridinas, una variante de los metil viológenos, las que son capaces de aceptar electrones y luego retornarlos. “Esto hace que se reduzcan y se oxiden en varios ciclos, para asegurar la vida de la batería en lapsos largos”.

Así, en un primer periodo se concretó un estudio en el que se efectuaron análisis teóricos de 156 derivados de la bipiridina; de ese conjunto de moléculas se seleccionaron compuestos con las propiedades adecuadas y de éstas se han logrado sintetizar tres; de las demás queda pendiente su síntesis y las pruebas electroquímicas para evaluar su posible uso.

Tras la obtención de los tres compuestos, los universitarios llegaron a un sustituyente que no se ha abordado en la literatura, el cual es un derivado de la bipiridina: los diquats. “De estos componentes ya se hicieron algunas pruebas con una pila de flujo y aguantó cerca de 500 ciclos de carga y descarga, con una eficiencia superior a 98 por ciento”, mencionó.

Parte de los esfuerzos de la etapa final del primer año, agregó, fue rediseñar un sistema teórico para predecir las solubilidades de los compuestos orgánicos en agua y garantizar que ésta fuera la óptima.

En este sentido, prosiguió Víctor Ugalde, se encontraron parámetros interesantes y se van a transferir las recomendaciones al grupo de síntesis para observar si se pueden incorporar grupos que garantizan una solubilidad adecuada: “Si se obtienen buenos resultados nos beneficiará, porque podrá trabajarse con volúmenes más pequeños, hacer pruebas de manera más eficiente y determinar qué sustancias son las que tienen las mejores características para la etapa ya realizada, que es la prueba en una pila. Una vez que pase la prueba, se va a la batería”.

Para los especialistas de la Facultad la siguiente etapa sería comenzar con el escalamiento. “Ya vimos que en pequeño funciona. La idea es poner una batería, es decir, colocar varias pilas en serie, que tenga 10 celdas. Una pila de las que estamos trabajando da unos 1.2 volts. Queremos crear un ensamble con esa sustancia para hacerlo en un prototipo con mayor capacidad de almacenamiento y verificar cómo opera en esas condiciones”.

“Los prototipos de baterías comerciales utilizan metales como el vanadio, que son escasos y tienen un precio elevado en el mercado. La ventaja con éstos es que se está pensando en materiales orgánicos: En el proyecto tenemos como objetivo sustituir los electrolitos actuales para disminuir el costo de las baterías y que sean más atractivas para su implementación en campo.”

La batería de flujo, abundó Víctor Ugalde, contiene dos electrolitos: uno se reduce y otro se oxida, mientras esto ocurra y se tenga material suficiente se conseguirá energía; en cambio, cuando ambos se transforman completamente, esto ya no se logrará. “En el momento que se conecta la batería a los paneles solares, se le suministra energía eléctrica y se le hace fluir hasta que recupere su condición inicial, es decir, queda cargada, lista para generar o inyectar a la red pública la que se almacenó”, refirió.

Para el segundo año de ejecución, los universitarios piensan hacer medios que utilicen agua como disolvente: “Queremos que sea en agua, es muy importante que la molécula diseñada resulte lo más soluble posible, porque si en un pequeño volumen se puede deshacer una gran cantidad de sustancia, eso permitirá almacenar mayor energía”.

La investigación está proyectada para cinco años; la finalidad es tener también en este tiempo de tres a seis moléculas que sean candidatas idóneas para una prueba en planta.

Por último, Ugalde Saldívar celebró que la FQ esté involucrada en esta iniciativa de manera destacada, porque de ser exitosa el país tendría infraestructura no únicamente para la generación, sino además para el almacenamiento y distribución de la energía eléctrica.

Este esfuerzo se centra en tres ejes: baterías de flujo, celdas de combustible y su balance de planta. Encabezados por el INEEL, intervienen también la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán, las universidades de Guanajuato, Querétaro y Autónoma Metropolitana; el Instituto Tecnológico de Tijuana así como el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, entre otras instituciones.