La nueva generación de baterías de flujo bate récords
El aditivo de azúcar desempeña un papel sorprendente al aumentar la capacidad y longevidad de la batería de flujo en este diseño de resiliencia energética de la red
Un aditivo alimentario y medicinal común ha demostrado que puede aumentar la capacidad y longevidad de un diseño de batería de flujo de nueva generación en un experimento que ha batido récords.
Los investigadores preparan un electrolito experimental para baterías de flujo que ha demostrado una larga vida útil en el laboratorio.
Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía informa de que la batería de flujo, un diseño optimizado para el almacenamiento de energía en redes eléctricas, mantuvo su capacidad de almacenar y liberar energía durante más de un año de carga y descarga continuas.
El estudio, que acaba de publicarse en la revista Joule, detalla el primer uso de un azúcar simple disuelto llamado β-ciclodextrina, un derivado del almidón, para aumentar la longevidad y capacidad de las baterías. En una serie de experimentos, los científicos optimizaron la proporción de sustancias químicas en el sistema hasta conseguir un 60 por ciento más de potencia máxima. A continuación, hicieron funcionar la batería una y otra vez durante más de un año, deteniendo el experimento sólo cuando fallaba el tubo de plástico. Durante todo ese tiempo, la batería de flujo apenas perdió actividad para recargarse. Se trata del primer experimento de batería de flujo a escala de laboratorio que registra más de un año de uso continuo con una pérdida mínima de capacidad.
El aditivo β-ciclodextrina es también el primero que acelera la reacción electroquímica que almacena y luego libera la energía de la batería de flujo, en un proceso denominado catálisis homogénea. Esto significa que el azúcar actúa disuelto en una solución y no como un sólido aplicado a una superficie.
"Se trata de un enfoque totalmente nuevo para el desarrollo de electrolitos de baterías de flujo", afirma Wei Wang, investigador de baterías del PNNL desde hace muchos años e investigador principal del estudio. "Hemos demostrado que se puede utilizar un tipo totalmente distinto de catalizador diseñado para acelerar la conversión de energía. Y además, al estar disuelto en el electrolito líquido, se elimina la posibilidad de que un sólido se desprenda y ensucie el sistema."
¿Qué es una pila de flujo?
Como su nombre indica, las baterías de flujo constan de dos cámaras, cada una llena de un líquido diferente. Las pilas se cargan mediante una reacción electroquímica y almacenan energía en enlaces químicos. Cuando se conectan a un circuito externo, liberan esa energía, que puede alimentar dispositivos eléctricos. Las baterías de flujo se diferencian de las de estado sólido en que tienen dos tanques externos de suministro de líquido que circulan constantemente a través de ellas para suministrar el electrolito, que es como el "suministro de sangre" para el sistema. Cuanto mayor sea el tanque de suministro de electrolito, más energía podrá almacenar la batería de flujo.
Si se amplían hasta el tamaño de un campo de fútbol o más, las baterías de flujo pueden servir como generadores de reserva para la red eléctrica. Las baterías de flujo son uno de los pilares clave de una estrategia de descarbonización para almacenar energía procedente de recursos energéticos renovables. Su ventaja es que pueden construirse a cualquier escala, desde la de una mesa de laboratorio, como en el estudio del PNNL, hasta el tamaño de una manzana.
¿Por qué necesitamos nuevos tipos de baterías de flujo?
El almacenamiento de energía a gran escala es una especie de póliza de seguro contra las interrupciones de la red eléctrica. Cuando las inclemencias del tiempo o la alta demanda merman la capacidad de suministro eléctrico a hogares y empresas, la energía almacenada en grandes instalaciones de baterías de flujo puede ayudar a minimizar las interrupciones o a restablecer el servicio. Se espera que la necesidad de estas instalaciones de baterías de flujo aumente, ya que la generación de electricidad procede cada vez más de fuentes de energía renovables, como la eólica, la solar y la hidroeléctrica. Estas fuentes de energía intermitentes necesitan un lugar donde almacenar la energía hasta que se necesite para satisfacer la demanda de los consumidores.
Aunque hay muchos diseños de baterías de flujo y algunas instalaciones comerciales, las instalaciones comerciales existentes dependen de minerales extraídos, como el vanadio, que son costosos y difíciles de obtener. Por eso, los equipos de investigación buscan tecnologías alternativas eficaces que utilicen materiales más comunes, fáciles de sintetizar, estables y no tóxicos.
"No siempre podemos excavar la Tierra en busca de nuevos materiales", afirma Imre Gyuk, director de investigación sobre almacenamiento de energía de la Oficina de Electricidad del DOE. "Tenemos que desarrollar un enfoque sostenible con sustancias químicas que podamos sintetizar en grandes cantidades, igual que las industrias farmacéutica y alimentaria".
El trabajo sobre baterías de flujo forma parte de un amplio programa del PNNL para desarrollar y probar nuevas tecnologías de almacenamiento de energía a escala de red que se acelerará con la apertura del Grid Storage Launchpad del PNNL en 2024.
Un "agua azucarada" benigna endulza el tarro para una batería de flujo eficaz
El equipo de investigación del PNNL que desarrolló este nuevo diseño de batería incluye investigadores con experiencia en síntesis orgánica y química. Estos conocimientos resultaron muy útiles cuando el equipo decidió trabajar con materiales que no se habían utilizado en la investigación de baterías, pero que ya se producen para otros usos industriales.
"Buscábamos una forma sencilla de disolver más fluorenol en nuestro electrolito a base de agua", explica Ruozhu Feng, primer autor del nuevo estudio. "La β-ciclodextrina ayudó a hacerlo, modestamente, pero su verdadero beneficio fue esta sorprendente capacidad catalítica".
A continuación, los investigadores trabajaron con la coautora Sharon Hammes-Schiffer, de la Universidad de Yale, una destacada autoridad en la reacción química subyacente al impulso catalítico, para explicar cómo funciona.
Como se describe en el estudio, el aditivo de azúcar acepta protones cargados positivamente, lo que ayuda a equilibrar el movimiento de electrones negativos cuando la pila se descarga. Los detalles son un poco más complicados, pero es como si el azúcar endulzara la olla para permitir que las demás sustancias químicas completen su danza química.
El estudio es la siguiente generación de un diseño de batería de flujo patentado por el PNNL y descrito por primera vez en la revista Science en 2021. Allí, los investigadores demostraron que otra sustancia química común, llamada fluorenona, es un componente eficaz de la batería de flujo. Pero ese avance inicial necesitaba mejoras porque el proceso era lento en comparación con la tecnología de baterías de flujo comercializada. Según los investigadores, este nuevo avance convierte el diseño de la batería en un candidato para su ampliación.
Al mismo tiempo, el equipo de investigación está trabajando para seguir mejorando el sistema experimentando con otros compuestos similares a la β-ciclodextrina pero más pequeños. Al igual que la miel, la adición de β-ciclodextrina también espesa el líquido, lo que no es ideal para un sistema fluido. No obstante, los investigadores consideraron que sus ventajas superaban a sus inconvenientes.
Para comprender la compleja química que tiene lugar en el interior del nuevo diseño de batería de flujo se necesitaron los conocimientos de muchos científicos, entre ellos Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan, Qian Huang, Eric Walter y Yuyan Shao, del PNNL, y Benjamin J. G. Rousseau y Hammes-Schiffer, de Yale, además de Feng y Wang.
El equipo de investigación ha solicitado la protección de patente estadounidense para su nuevo diseño de batería.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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