Lecciones del mar: La naturaleza muestra cómo sacar 'químicos para siempre' de las baterías

A medida que el mundo se apresura a electrificar todo, desde automóviles hasta ciudades, la demanda de baterías de alto rendimiento y larga duración se está disparando. Pero la incómoda verdad es esta: muchas de las baterías que alimentan nuestras tecnologías “verdes” no son tan ecológicas como podríamos pensar.

La mayoría de las baterías comerciales se basan en aglutinantes poliméricos fluorados para mantenerlos juntos, como el fluoruro de polivinilideno. Estos materiales funcionan bien: son químicamente estables, resistentes al calor y muy duraderos. Pero vienen con un precio ambiental oculto.

Los polímeros fluorados se derivan de productos químicos que contienen flúor que no se degradan fácilmente, liberando contaminantes persistentes llamados PFAS (sustancias por y polifluoroalquilo) durante su producción y eliminación. Una vez que ingresan al medio ambiente, el PFAS puede permanecer en el agua, el suelo e incluso el tejido humano durante cientos de años, lo que les valió el apodo de “productos químicos para siempre”.

Hemos justificado su uso porque aumentan la vida útil y el rendimiento de las baterías. Pero si la transición de la energía limpia se basa en materiales que contaminan, degradan los ecosistemas y persisten en el medio ambiente durante años, ¿es realmente sostenible?

Como estudiante graduado, pasé años pensando en cómo hacer que las baterías sean más limpias, no solo en cómo operan, sino en cómo se hacen. Esa búsqueda me llevó a un lugar inesperado: el océano.

¿Por qué son importantes?  

Cada batería recargable tiene tres componentes esenciales: dos electrodos separados por un electrolito líquido que permite que los átomos cargados (iones) fluyan entre ellos. Cuando se carga una batería, los iones se mueven de un electrodo a otro, almacenando energía.

Cuando utiliza la batería, los átomos cargados fluyen de vuelta a su lado original, liberando esa energía almacenada para alimentar su teléfono, automóvil o la 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 ella, una batería no podría contener una carga después de solo unos pocos usos.

Lecciones del mar

Muchos organismos marinos han evolucionado de manera notable para unirse a superficies húmedas y resbaladizas. Mejillones, percebes, gusanos de castillo de arena y pulpos producen adhesivos naturales para pegarse a las rocas, los cascos de los barcos y los corales en aguas turbulentas, condiciones que derrotarían la mayoría de los pegamentos sintéticos.

Para los mejillones, el secreto se encuentra en moléculas llamadas catecoles. Estas moléculas contienen un aminoácido único en sus proteínas pegajosas que les ayuda a formar fuertes enlaces con superficies y se endurece casi instantáneamente cuando se exponen al oxígeno. Esta química ya ha inspirado adhesivos sintéticos utilizados para sellar heridas, reparar tendones y crear recubrimientos que se adhieren al metal o al vidrio bajo el agua.

Sobre la base de esta idea, comencé a explorar una molécula relacionada llamada galol. Al igual que el catecol en los mejillones, el galol es utilizado por las plantas marinas y las algas para aferrarse a las superficies húmedas. Su estructura química es muy similar al catecol, pero contiene un grupo extra funcional que la hace aún más adhesiva y versátil. Puede formar múltiples tipos de enlaces fuertes, duraderos y reversibles, propiedades que lo convierten en un excelente aglutinante de batería.

Una solución más verde

Trabajando con el Prof. Dwight S. Seferos de la Universidad de Toronto, desarrollamos un aglutinante de polímeros a base de química de galilos y lo emparejamos con zinc, un metal más seguro y abundante que el litio. A diferencia del litio, el zinc no es inflamable y es más fácil de obtener de manera sostenible, por lo que es ideal para aplicaciones a gran escala.

Los resultados fueron notables. Nuestras baterías de zinc a base de galol mantienen una eficiencia energética un 52 por ciento más alta después de 8 000 ciclos de carga-descarga en comparación con las baterías convencionales que utilizan aglutinantes fluorados. En términos prácticos, eso significa dispositivos de mayor duración, menos reemplazos y una huella ambiental más pequeña.

Nuestros hallazgos son una prueba de que el rendimiento y la sostenibilidad pueden ir de la mano. Muchos en la industria todavía pueden ver “verde” y “eficaz” como prioridades competitivas, con la sostenibilidad y una idea de último momento. Esa lógica es hacia atrás.

No podemos construir un futuro de energía verdaderamente limpia 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 ejecutando sistemas eficientes y auto-renovados durante miles de millones de años. Mejillones, mariscos y algas construyen materiales que son fuertes, flexibles y biodegradables. Sin residuos ni productos químicos para siempre. Es hora de que empecemos a prestar atención.

El océano tiene más que belleza y biodiversidad; también puede tener el plan para el futuro del almacenamiento de energía. Pero darse cuenta de que el futuro requiere un cambio cultural en la ciencia, uno que recompensa la innovación que sana, no solo la innovación que se lleva a cabo.

No necesitamos sacrificar el progreso para proteger el planeta. Solo tenemos que diseñar con el planeta en mente.