A medida que el mundo se apresura a electrificar todo, desde los automóviles hasta las ciudades, la demanda de baterías duraderas y de alto rendimiento está creciendo. Pero la verdad incómoda es ésta: muchas de las baterías que alimentan nuestras tecnologías "verdes" no son tan verdes como pensamos.
La mayoría de las baterías comerciales dependen de aglutinantes de polímeros fluorados para mantenerlas unidas, como el fluoruro de polivinilideno. Estos materiales tienen buen rendimiento: son químicamente estables, resistentes al calor y muy duraderos. Pero conllevan un precio medioambiental oculto.
Los polímeros fluorados se derivan de sustancias químicas que contienen flúor que no se descomponen fácilmente, liberando contaminantes persistentes llamados PFAS (sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas) durante su producción y eliminación. Una vez en el medio ambiente, las PFAS pueden permanecer en el agua, el suelo e incluso en el tejido humano durante cientos de años, lo que les valió el sobrenombre de "sustancias químicas eternas".
Hemos justificado su uso porque alargan la vida y el rendimiento de las baterías. Pero si la transición a una energía limpia se basa en materiales que contaminan, degradan los ecosistemas y persisten en el medio ambiente durante años, ¿es realmente sostenible?
Como estudiante de posgrado, pasé años pensando en cómo hacer que las baterías sean más limpias, no sólo en la forma en que funcionan, sino también en la forma en que se fabrican. Esa búsqueda me llevó a un lugar inesperado: el océano.
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Por qué los aglutinantes son importantes
La mayoría de las baterías comerciales dependen de aglutinantes de polímeros fluorados para mantenerlas unidas. Estos materiales tienen buen rendimiento pero tienen costes medioambientales. (Desarmar/CHUTTERSNAP)
Toda batería recargable tiene tres componentes básicos: dos electrodos separados por un electrolito líquido que permite el paso de átomos cargados (iones) entre ellos. Cuando cargas una batería, los iones se mueven de un electrodo a otro, almacenando energía.
Cuando usas una batería, los átomos cargados regresan a su lado original, liberando esa energía almacenada para alimentar tu teléfono, auto o red.
Cada electrodo es una mezcla de tres partes: un material activo que almacena y libera energía, un aditivo conductor que ayuda a los electrones a moverse y un aglutinante que mantiene todo unido.
El aglutinante actúa como pegamento, manteniendo las partículas en su lugar y evitando que se disuelvan durante el uso. Sin él, la batería no podría mantener la carga después de unos pocos usos.
Lecciones del mar
Muchos organismos marinos han desarrollado formas extraordinarias de adherirse a superficies mojadas y resbaladizas. Los mejillones, las almejas, los gusanos de arena y los pulpos producen pegamentos naturales para adherirse a rocas, cascos de barcos y corales en aguas turbulentas, condiciones que derrotarían a la mayoría de los pegamentos sintéticos.
En el caso de los mejillones, el secreto está en unas moléculas llamadas catecoles. Estas moléculas contienen un aminoácido único en sus proteínas adhesivas que les ayuda a formar enlaces fuertes con las superficies y a endurecerse casi instantáneamente cuando se exponen al oxígeno. Esta química ya ha inspirado los adhesivos sintéticos que se utilizan para sellar heridas, reparar tendones y crear revestimientos que se adhieren al metal o al vidrio bajo el agua.
A partir de esta idea, comencé a investigar una molécula relacionada llamada galol. Al igual que el catecol de los mejillones, las plantas marinas y las algas utilizan galol para adherirse a las superficies húmedas. Su estructura química es muy similar a la del catecol, pero contiene un grupo funcional adicional que lo hace aún más pegajoso y versátil. Puede formar múltiples tipos de enlaces fuertes, duraderos y reversibles, propiedades que lo convierten en un excelente aglutinante de baterías.
Los mejillones utilizan moléculas llamadas catecoles para adherirse a las superficies. (Unsplash/Manu Matteo) Una solución más ecológica
Trabajando con el prof. Dvaito S. Con Seferoso de la Universidad de Toronto, desarrollamos un aglutinante polimérico basado en la química del galol y lo combinamos con zinc, un metal más seguro y más extendido que el litio. A diferencia del litio, el zinc no es inflamable y es más fácil de obtener de forma sostenible, lo que lo hace ideal para aplicaciones a gran escala.
Los resultados fueron extraordinarios. Nuestras baterías de zinc a base de galones mantuvieron una eficiencia energética un 52 por ciento mayor después de 8000 ciclos de carga y descarga en comparación con las baterías convencionales que utilizan aglutinantes fluorados. En términos prácticos, esto significa dispositivos más duraderos, menos reemplazos y menos impacto en el medio ambiente.
Nuestros hallazgos son una prueba de que el rendimiento y la sostenibilidad pueden ir de la mano. Es posible que muchos en la industria todavía vean lo "verde" y lo "eficiente" como prioridades competitivas, dejando la sostenibilidad como una idea de último momento. Esa lógica está al revés.
No podemos construir un futuro energético verdaderamente limpio utilizando materiales contaminantes. Durante demasiado tiempo, la industria de las baterías se ha centrado en el rendimiento a cualquier costo, incluso si ese costo incluye desechos tóxicos, materiales difíciles de reciclar y prácticas mineras insostenibles y poco éticas. La próxima generación de tecnologías debe ser sostenible por diseño, construida a partir de fuentes renovables, biodegradables y circulares.
La naturaleza ha estado utilizando sistemas eficientes de autorrenovación durante miles de millones de años. Los mejillones, las conchas y las algas constituyen materiales fuertes, flexibles y biodegradables. Sin residuos ni productos químicos para siempre. Es hora de empezar a prestar atención.
El océano contiene más que belleza y biodiversidad; También puede contener un plan para el futuro del almacenamiento de energía. Pero comprender que el futuro requiere un cambio cultural en la ciencia, uno que recompense las innovaciones que curan, no sólo las que funcionan.
No tenemos que sacrificar el progreso para proteger el planeta. Sólo necesitamos diseñar teniendo en cuenta el planeta.
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