Resumen:

El desarrollo de membranas de intercambio protónico (PEM) de bajo costo, sostenibles y libres de flúor es fundamental para habilitar tecnologías escalables de baterías de flujo redox de vanadio (VRFB). En este trabajo, se reporta el uso de membranas de poli(tereftalato de etileno) sulfonado (sPET), sintetizadas mediante modificación química de botellas de PET recicladas, como una alternativa viable a las membranas convencionales de Nafion. La membrana sPET demostró un desempeño electroquímico competitivo, con ciclos de carga y descarga que confirmaron una operación estable a densidades de corriente moderadas y eficiencias coulómbicas entre 66 % y 80 %. La espectroscopía de impedancia electroquímica reveló una resistencia a la transferencia de carga comparable a la de Nafion (31 frente a 30 mΩ), especialmente bajo condiciones de flujo dinámico.

A pesar de presentar una conductividad iónica ligeramente inferior y mayores pérdidas óhmicas en condiciones estacionarias, la membrana sPET mostró eficiencias de voltaje y energía aceptables (hasta 59 %), validando su aplicabilidad en sistemas de almacenamiento de energía. Estos resultados destacan a la sPET como una PEM prometedora, sostenible y rentable derivada de residuos plásticos, con un fuerte potencial para su implementación práctica en sistemas VRFB.

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Conclusiones:

Este trabajo se presenta como una demostración inicial del potencial de las membranas de PET sulfonado (sPET), derivadas de botellas de PET recicladas, como alternativas sostenibles para aplicaciones en baterías de flujo redox de vanadio (VRFB). La membrana sPET mostró solo una resistencia interna ligeramente superior a la de Nafion. Los ciclos de carga y descarga confirmaron un desempeño estable a densidades de corriente moderadas, mientras que la espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) reveló valores de resistencia a la transferencia de carga casi equivalentes, de aproximadamente 31 mΩ, tanto para las membranas sPET como para Nafion bajo circulación de electrolito. Incluso en condiciones estacionarias, la membrana sPET mantuvo propiedades de transporte aceptables. A pesar del desempeño de referencia establecido de Nafion, la membrana sPET presentó eficiencias coulómbicas competitivas (66–80 %) y eficiencias energéticas (51–59 %), particularmente bajo condiciones de flujo optimizadas.

Sin embargo, también se debe considerar que las PEMs basadas en hidrocarburos pueden verse afectadas por ambientes químicos oxidativos, especialmente en estados de carga elevados, donde las especies de vanadio(V) (principalmente VO2+ en el electrolito positivo) y las vías mediadas por radicales pueden promover la oxidación del polímero. En el caso del PET sulfonado, una sensibilidad adicional puede surgir debido a la presencia de enlaces éster, que pueden sufrir hidrólisis en condiciones fuertemente ácidas, lo que potencialmente conduce a la ruptura de cadenas y a una pérdida gradual de la integridad mecánica durante operaciones prolongadas.

Para mitigar estos efectos, se podrían explorar varias estrategias prácticas: (i) entrecruzamiento controlado o formación de redes para reducir la hinchazón y mejorar la retención mecánica; (ii) incorporación de nanorrellenos funcionalizados que aporten doble funcionalidad, mejorando tanto la estabilidad física como química; y (iii) ajuste adicional del nivel de sulfonación y de la morfología de la membrana para equilibrar la conductividad protónica frente a la permeabilidad iónica. Estas líneas de investigación son el foco de trabajos en curso para trasladar el prometedor desempeño inicial de sPET en VRFB hacia una operación duradera a largo plazo. En general, la evidencia experimental obtenida subraya no solo la viabilidad electroquímica del sPET reciclado en sistemas VRFB, sino que, al transformar botellas de PET en PEM de alto rendimiento y estabilidad mecánica, este trabajo ofrece un camino convincente hacia membranas libres de flúor y ambientalmente responsables para soluciones de almacenamiento de energía.

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Información tomada y traducida del artículo científico publicado en ACS Applied Polymer Materials.

Imagen tomada del artículo.