Una batería de flujo redox acuosa basada en diimida de naftaleno logra una alta retención de capacidad

Las baterías de flujo redox son una de las tecnologías más prometedoras para aplicaciones de almacenamiento estacionario a gran escala debido a su bajo costo de capital, su baja inflamabilidad y su larga vida útil de más de 20 años. Sin embargo, como el precio del vanadio, el material activo más utilizado en las baterías de flujo redox, ha ido subiendo en los últimos años, los científicos han buscado activamente materiales redox que lo sustituyan.

Ahora, un equipo de investigación del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST) y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), en Corea del Sur, ha desarrollado una molécula activa muy soluble y estable: la naftaleno diimida (NDI). Se utilizó en lugar de los vanadatos en las pilas de flujo acuoso.

Aunque las moléculas de NDI son casi insolubles en agua y, por tanto, estaban poco exploradas, el equipo de investigación surcoreano consiguió ligar cuatro funcionalidades de amonio y logró una solubilidad de hasta 1,5 M en agua. Al regular las interacciones π-π de estas moléculas orgánicas, los investigadores han evitado las reacciones secundarias graves y la ciclabilidad reducida que podría haber causado la formación de radicales durante el proceso de transferencia de electrones.

“Hemos demostrado los principios del diseño molecular modificando una molécula activa orgánica existente de baja solubilidad y utilizándola como molécula activa para baterías de flujo redox”, declaró el profesor Hye Ryung Byon. “También hemos demostrado que, durante una reacción redox, podemos utilizar interacciones moleculares para suprimir la reactividad química de las moléculas formadas radicalmente”.

Además, los investigadores demostraron que cuando se utilizaba una solución 1M de NDI en baterías de flujo redox neutras durante 500 ciclos, se mantenía el 98% de su capacidad. Esto significa un deterioro de la capacidad del 0,004% por ciclo, y sólo se perdería el 2% de su capacidad si la batería funcionara durante 45 días.

Los investigadores también demostraron que la molécula de NDI desarrollada puede contener dos electrones por molécula, lo que significa que se podrían almacenar 2M de electrones en cada 1M de solución de NDI utilizada.

Como referencia, el vanadio utilizado en las baterías de flujo redox de vanadio, que requieren una solución de ácido sulfúrico altamente concentrada, tiene una solubilidad de aproximadamente 1,6M y sólo puede contener un electrón por molécula, lo que significa que puede almacenar un total de 1,6M de electrones. Por tanto, la molécula activa de NDI recién desarrollada muestra una mayor capacidad de almacenamiento en comparación con los dispositivos de vanadio existentes.

“Si esto se utilizara más adelante para baterías de flujo redox acuosas, junto con su alta densidad energética y alta solubilidad, también tendría la ventaja de poder utilizarse en electrolitos de pH neutro”, dijo Ryung Byon. “Las baterías de flujo redox de vanadio utilizan actualmente soluciones ácidas, que provocan corrosión, y esperamos que nuestra molécula resuelva este problema”. Como las actuales pilas de iones de litio son inflamables, debemos desarrollar pilas de nueva generación más seguras y baratas, y nuestra investigación es muy prometedora”.

Los investigadores exponen sus hallazgos en el artículo “Controlling π-π interactions of highly soluble naphthalene diimide derivatives for neutral pH aqueous redox flow batteries” (Control de las interacciones π-π de derivados de diimida de naftaleno altamente solubles para pilas de flujo redox acuosas de pH neutro), publicado recientemente en Advanced Materials.