La creciente demanda de dispositivos de almacenamiento de energía favorece el desarrollo tecnológico de las diferentes tecnologías, tanto existentes como novedosas. En este sentido, los plásticos juegan un papel importante para la fabricación de componentes de estos dispositivos. El proyecto AcumularEQ, desarrollado por AIMPLAS y financiado por el IVACE, centra sus esfuerzos en desarrollar materiales plásticos con propiedades avanzadas para su aplicación como componentes en dispositivos electroquímicos de almacenamiento de energía

(baterías, electrolizadores, supercondensadores y pilas de combustible). AIMPLAS está centrado en desarrollar materiales plásticos conductores eléctricos, iónicos y térmicos para su aplicación en separadores, colectores de corriente, electrodos y sensores.[VVBA1] 
 
Los sistemas de almacenamiento energético son claves para garantizar la transición a una economía neutra en emisiones y la efectiva integración de las energías renovables. Y también lo son para potenciar los mercados basados en la movilidad eléctrica, tanto vehículos como dispositivos portátiles.
 
Los diferentes sistemas de almacenamiento de energía se pueden organizar en cinco clases: químico, electroquímico, eléctrico, mecánico y térmico.
En el detalle de la Figura 1 se desglosan algunas de las tecnologías de almacenamiento electroquímico.
 

Figura 1. Tecnologías de almacenamiento de energía y desglose de algunas electroquímicas. Adaptado de EASE ^1]
 
En el campo de almacenamiento electroquímico, destacan las baterías secundarias (recargables), en el que las de litio tienen un recorrido amplio y un crecimiento muy favorable. Sin embargo, otras tecnologías basadas en otros metales y elementos, como el sodio, el aluminio o el azufre, o las que incluyen pares de electrolitos redox, de vanadio o compuestos orgánicos, ofrecen un potencial de crecimiento muy interesante.
También los electrolizadores y celdas de combustible de hidrógeno están llamados a ser predominantes en el sector del almacenamiento electroquímico, entendidos como aquellos dispositivos que hacen interactuar electrones y compuestos químicos para almacenar los unos en los otros.
En este abanico de posibilidades, los dispositivos electroquímicos cubren una parte muy amplia del espectro de capacidad de almacenamiento (Figura 2) de estos sistemas energéticos.
 

Figura 2. Relación de la capacidad de almacenamiento en términos de potencia y tiempo para diferentes tecnologías^[2].
 
En cualquiera de estos dispositivos electroquímicos, existe una estructura interna similar en la que diferentes componentes se combinan para formar estos dispositivos, capaces de transformar la electricidad en especies químicas que reaccionan posteriormente para generar electricidad.
 
Como se detalla esquemáticamente en la Figura 3, estos componentes son:
-        Separadores (membranas, electrolitos)
-        Electrodos (cátodos, ánodos)
-        Colectores de corriente (conectores, placas bipolares, pistas, cables)
-        Sensores (temperatura, estado de carga y salud, fugas…)
 

Figura 3. Componentes de un dispositivo electroquímico.
 
La denominación de estos componentes depende de la tipología del dispositivo en el que están instalados, pero sus funciones son similares.
A continuación se detallan los avances y propuestas de AIMPLAS para cada uno de los componentes (o materiales) descritos anteriormente y que son objeto de investigación y desarrollo en el proyecto AcumularEQ.
 
Materiales plásticos con conductividad eléctrica
Los materiales termoplásticos tienen un gran protagonismo en el sector energético y eléctrico-electrónico debido a su disponibilidad en multitud de grados comerciales, su bajo coste, sus propiedades físico-mecánicas y químicas, su ligereza y su versatilidad de tecnologías de procesado.
Aunque por naturaleza los polímeros generalmente son aislantes (> 10-7 S/cm), en los últimos años se han llevado a cabo desarrollos de polímeros conductores (~102 S/cm) obteniéndose propiedades óptimas para multitud de aplicaciones (Figura 4)
 

Figura 4. Escala de conductividades (en S/cm) para diversos tipos de materiales en los que se incluyen algunos plásticos^[3].
 
Entre las posibles aplicaciones para plásticos conductores eléctricamente se incluyen las placas bipolares, electrodos, celdas fotovoltaicas, diodos, (super)condensadores, transistores y sensores. Para poder alcanzar valores de conductividad eléctrica aceptables, los polímeros convencionales suelen ser aditivados con materiales de carbono como el grafeno, grafito, los nanotubos de carbono, fibras de carbono o el negro de carbón. También se emplean partículas metálicas como fibras de acero, cobre o partículas de plata o estaño.  Incluso se podrían usar polímeros intrínsecamente conductores (Figura 5).

Figura 5. Esquema de la naturaleza de la conductividad de algunos plásticos, expresado como resistividad superficial (inversa de la conductividad)
 
El grafito es una excelente solución para hacer que los polímeros sean eléctricamente conductores. Esto es debido a su estructura laminar, la morfología de partículas y su menor capacidad de abrasión de los equipos. Sin embargo, debe usarse altas cantidades de grafito para conseguir elevadas conductividades eléctricas. Esto dificulta su procesado por métodos convencionales, minorando también las propiedades mecánicas como elasticidad y plasticidad del compuesto plástico^{[4], [5]}. Alternativamente, los nanotubos de carbono ofrecen la ventaja de valores elevados de conductividad con bajas cargas, aunque tienen un mayor coste.
El ajuste de la conductividad de materiales plásticos viene también determinado por la propia naturaleza de la matriz polimérica.
AIMPLAS se está trabajando en diferentes proyectos para producir materiales compuestos plásticos con propiedades de conductividad eléctrica. En la Tabla 1 se detallan algunos rangos de conductividad obtenidos con matrices poliméricas y nanotubos de carbono (CNT).

Tabla 1. Conductividades de diferentes formulaciones de polímero y nanotubos de carbono

 
El proyecto AcumularEQ, toma esta experiencia previa en el desarrollo de materiales conductores como base para obtener un panel de conductividades con las que ofrecer soluciones a diferentes demandas del mercado: conectores, disipadores o con efecto de apantallamiento. Diferentes combinaciones de compuestos carbonosos (nanotubos de carbono, grafitos), metálicos (fibras y polvo de acero o estaño) y polímeros conductores se han formulado con diferentes matrices poliméricas, para obtener plásticos conductores y procesables por métodos convencionales. Los resultados estarán disponibles en el segundo semestre del año 2022.
 
 
Separadores
Por otro lado, los materiales plásticos también tienen cabida como componentes en dispositivos electroquímicos de energía por su carácter aislante eléctrico: separadores, membranas o, incluso, electrolitos sólidos se encuentran entre estas aplicaciones.
En este caso, la capacidad aislante eléctrica debe complementarse con la conductividad iónica, es decir, con permitir que iones pasen a su través. Y este paso puede darse bien por la afinidad química o bien por la microestructura del polímero.
 
Adicionalmente, estos separadores deben ser mecánicamente resistentes ante las presiones y los caudales presentes durante la operación, así como los entornos químicos hostiles dentro de los dispositivos electroquímicos, las condiciones de oxidación intensa y, a menudo, el pH extremo, que pueden conducir a la degradación química de la membrana.^[6] En algunos tipos de baterías, por ejemplo, la reducción de los iones a su estado metálico puede conducir a la formación de dendritas capaces de perforar las membranas e inutilizar la batería por cortocircuito entre los electrodos.
 
Existen diferentes tipos de dispositivos electroquímicos de almacenamiento energético en función de las reacciones electroquímicas que tienen lugar, especies involucradas, medios de reacción, condiciones, etc. Esta gran diversidad está ligada a la necesidad de diseñar separadores específicos para cada tipo de dispositivo.
 
Así pues, en las baterías de metal-aire, se utilizan membranas de polímeros orgánicos porosos, membranas inorgánicas,^[7] membranas híbridas,^[8] membranas de intercambio aniónico^[9] y membranas de intercambio catiónico.^[10]
 
Por ejemplo, las membranas de ácido perfluorosulfónico (PFSA) tienen una conductividad excelente en las condiciones ácidas presentes en las baterías de flujo redox de vanadio, pero exhiben una conductividad más baja en otros tipos de baterías de flujo redox que requieren medios alcalinos^.[11]
 
En el caso de las pilas de combustible de membranas de intercambio protónico (PEM), se utilizan membranas poliméricas a través de las cuales tiene lugar el transporte de protones. Esta membrana es un fluoropolímero de politetrafluoretileno sulfonado introducido por DuPont a mediados de la década de 1960 y comercializado como Nafion®.
 
Este material se considera el punto de referencia, y base de comparación, para el desarrollo de nuevos separadores de otras aplicaciones, por sus excelentes propiedades complementarias a su alta conductividad de protones, pero no de electrones.
 
Estas nuevas membranas pueden clasificarse en tres categorías: (i) membranas poliméricas fluoradas y no fluoradas (como poliimidas, polisulfonas, poli(etersulfona) y poli(fenil sulfona)), (ii) cerámicas y (iii) membranas híbridas. La Figura 6 recopila algunos ejemplos de estos separadores alternativos.
 

Figura 6. Clasificación de ejemplos de membranas de intercambio protónico estudiadas.^[12]
 
 
Por otro lado, el uso de materiales más sostenibles a los tradicionalmente utilizados toma cada vez mayor importancia. Concretamente, los biopolímeros como la celulosa, el quitosano, el almidón, la gelatina y el agar se han considerado como posibles opciones para la fabricación de membranas[13]. Sin embargo, estos materiales de base biológica también deben cumplir con la alta durabilidad, conductividad y selectividad estándares que se requieren para la mayoría de los separadores.
Este el objetivo del proyecto AcumularEQ para con los separadores: desarrollar materiales capaces de ser usados como membranas, separadores e, incluso, electrolitos sólidos usando polímeros (y derivados) de origen bio-basado y con menores impactos ambientales.
 
 
Electrodos impresos
 
Tanto por su participación activa (como catalizador o soporte de éste) como por su función de conectar especies electroquímicas (por ejemplo, la porosidad), el electrodo es un elemento clave en la funcionalidad de los dispositivos electroquímicos. Uno de los principales desafíos es el desarrollo de materiales que sean imprimibles manteniendo la funcionalidad requerida como electrodos.
 
El desarrollo de nuevos materiales, y en especial de nuevas tintas funcionales, representa un claro reto para obtener materiales imprimibles de alta porosidad, alta conductividad eléctrica, más respetuosos con el medio ambiente y que permitan abordar un salto en el rendimiento y funcionalidad de los dispositivos desarrollados.
Alcanzar unos materiales con estas características es el objetivo e innovación que se pretende alcanzar con la ejecución del proyecto AcumularEQ en el campo de los electrodos.
 
Sensores de temperatura impresos
La electrónica impresa o electrónica flexible es una tecnología que, si bien está establecida desde hace tiempo y es factible encontrar ciertas aplicaciones comerciales, la aparición de nuevos materiales y la investigación en la combinación de los mismos abre un continuo abanico de nuevas aplicaciones y desarrollo de dispositivos electrónicos. Tal es el caso de los nuevos sensores de temperatura impresos.
 
La temperatura es una variable clave en un importante número de procesos y existe mucho interés en su monitorización y control como herramienta de supervisión de procesos y/o de funcionamiento de piezas y equipos y previsión de vida útil de los mismos.
 
Además, la gran cantidad de aplicaciones, y en especial en los dispositivos que se demandan, cada vez más pequeños y complejos, abren la necesidad de incorporar sensores, ligeros, de bajo espesor, con flexibilidad y factor de forma plano versátiles para su integración en piezas de formas complejas aportando un alto valor añadido.  Los sensores impresos, por tanto, se postulan como los candidatos más interesantes.
 
Los desarrollos más similares a los sensores de temperatura impresos que se pueden encontrar en el mercado son los sensores de superficie. Sin embargo, estos dispositivos presentan varias limitaciones o desventajas. Una de las más acusadas es el hecho de que por su estructura en muchas ocasiones la integración en la pieza a medir no es directa, sino que deben ser instalados en el exterior viéndose afectados por la interferencia con el aislamiento térmico de la pieza y/o la perturbación térmica que el exterior puede tener sobre la medida.
 
El desarrollo técnico de los sensores de temperatura ha sido un objetivo clave en sectores como el energético, el de automoción, el aeronáutico o el de salud donde la monitorización y medición de esta variable permite un mejor control de los procesos, una reducción de gasto energético y una mayor vida útil.
 
Así mismo un importante número de las investigaciones se enfocan en el uso de polímeros intrínsecamente conductores que tienen su base en la tecnología de impresión inkjet, la cual, aunque con un grado superior de definición que otras técnicas de impresión, el escalado y la capacidad productiva a nivel industrial está limitado.
 
Por tanto, la aplicación e integración de sensores de temperatura en dispositivos de almacenamiento energético y el uso de serigrafia como tecnología de fabricación y la aplicación de nuevos materiales Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC de sus siglas en inglés) que se proponen en el proyecto AcumularEQ suponen un avance y una innovación en los desarrollos de sensores de temperatura y una clara diferencia en los actualmente presente en el mercado.
 
  
Figura 7. Ejemplos de algunos sensores de temperatura desarrollados por AIMPLAS.
 
AIMPLAS alberga el desarrollo de varios sensores de temperatura para rangos definidos (20-80 ºC, con una resolución de 0.5 º y una velocidad de respuesta menor a 2 s), según las necesidades de la aplicación, y que pueden ser integrados directamente en los dispositivos electroquímicos (Figura 7).
 
El proyecto AcumularEQ cuenta con la financiación de la Conselleria d'Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana a través de ayudas del IVACE con la cofinanciación de los fondos FEDER de la UE, dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2014-2020. Estas ayudas están dirigidas a centros tecnológicos de la Comunitat Valenciana para el desarrollo de proyectos de I+D de carácter no económico realizados en cooperación con empresas para el ejercicio 2021.

[1] https://ease-storage.eu/energy-storage/technologies/
[2] https://www.researchgate.net/publication/320273548_Housing_Estate_Energy_Storage_Feasibility_for_a_2050_Scenario
[3] González-Velasco, Jaime. (2012). Polímeros Conductores.
[4] Müller.M.T, K. K. (2011). Influencia de las condiciones de alimentación en la extrusión de dos tornillos de compuestos PP/MWCNT en propiedades eléctricas y mecánicas. Compos.71, 1535-1542
[5] Socher.R, K. M. (2012). La influencia de la viscosidad matricial en la dispersión MWCNT y propiedades eléctricas en diferentes nanocomposites termoplásticos. Polímero 53,495-504
[6] Yuan, X. Z.; Song, C.; Platt, A.; Zhao, N.; Wang, H.; Li, H.; Fatih, K.; Jang, D. A Review of All-Vanadium Redox Flow Battery Durability: Degradation Mechanisms and Mitigation Strategies. Int. J. Energy Res. 2019, 43 (13), 6599−6638
[7] Saputra, H.; Othman, R.; Sutjipto, A.G.E.; Muhida, R. MCM-41 as a new separator material for electrochemical cell: Application in zinc–air system. J. Membr. Sci. 2011, 367, 152–157.
[8] Kiros, Y. Separation and permeability of zincate ions through membranes. J. Power Sources 1996, 62, 117–119.
[9] Kim, H.W.; Lim, J.M.; Lee, H.J.; Eom, S.W.; Hong, Y.T.; Lee, S.Y. Artificially engineered, bicontinuous anion-conducting/-repelling polymeric phases as a selective ion transport channel for rechargeable zinc-air battery separator membranes. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 3711–3720.
[10] Dewi, E.L.; Oyaizu, K.; Nishide, H.; Tsuchida, E. Cationic polysulfonium membrane as separator in zinc–air cell. J. Power Sources 2003, 115, 149–152.
[11] Yuan, Z.; Yin, Y.; Xie, C.; Zhang, H.; Yao, Y.; Li, X. Advanced Materials for Zinc-Based Flow Battery: Development and Challenge. Adv. Mater. 2019, 31 (50), No. 1902025.
[12] T. Maiyalagan, S. Pasupathi, Components for PEM Fuel cells: An Overview, Materials Science Forum Vol. 657 (2010) pp 143-189.
[13] Alday, P. P.; Barros, S. C.; Alves, R.; Esperança, J. M. S. S.; Navarro-Segarra, M.; Sabaté, N.; Silva, M. M.; Esquivel, J. P. Biopolymer Electrolyte Membranes (Biopems) for Sustainable Primary Redox Batteries. Adv. Sustain. Syst. 2020, 4 (2), 1900110.

 [VVBA1]Esto es lo que iría debajo de los nombres

Autor: Vicente Vert, investigador de Construcción y Energías Renovables en AIMPLAS