Una minibatería de flujo acelera la investigación en almacenamiento energético
Una batería de flujo diminuta ofrece grandes ventajas y reduce el tiempo, el coste y los recursos necesarios para probar nuevos materiales de batería
A veces, para ir a lo grande, primero hay que ir a lo pequeño. Eso es lo que han hecho los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía con su última innovación en almacenamiento de energía.
Ruozhu Feng, investigador de baterías de flujo del PNNL, manipula un dispositivo de batería de flujo estándar a escala de laboratorio.
Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Con el objetivo de acelerar el tiempo de descubrimiento de nuevas tecnologías de almacenamiento de energía en red, el equipo diseñó un sistema de ensayo de baterías de flujo compacto y de alta eficiencia que requiere un orden de magnitud menos de material de partida y ofrece al mismo tiempo resultados iguales a los de los sistemas de ensayo estándar a escala de laboratorio. El nuevo diseño de la minicelda de flujo y su validación experimental se describen en un artículo publicado en la revista Journal of The Electrochemical Society. La minicélula de flujo rediseñada imita fielmente la estructura interna de una célula de flujo tradicional, pero a escala reducida por un factor de 5. Pero, a pesar de su menor tamaño, la minicélula de flujo presenta un rendimiento comparable al de su homóloga de mayor tamaño.
La minibatería de flujo ofrece grandes resultados
"Este informe es el primer paso para demostrar que nuestro sistema experimental a escala reducida funciona", afirma Ruozhu Feng, científico de materiales e investigador de baterías de flujo y autor principal del estudio. "Nuestro objetivo final es llevar el poder de la IA y la robótica a este proceso para automatizar y acelerar las pruebas de nuevos diseños de baterías de flujo".
Al reducir la cantidad de material necesario y acelerar el proceso de validación, esta tecnología podría ayudar a avanzar en las soluciones de energías renovables. Los investigadores también creen que este enfoque miniaturizado facilitará la experimentación con una gama más amplia de químicas experimentales.
"En la actualidad, tenemos que preparar mucho material cuando identificamos una nueva fórmula prometedora para una batería, y esto lleva mucho tiempo", explica Feng. "Con este proceso de minicelda de flujo, podemos averiguar si un nuevo material propuesto funciona con sólo una cantidad minúscula -miligramos- disponible".
El diseño de la minicélula de flujo está orientado a los laboratorios de investigación que se dedican al cribado rápido y al desarrollo de nuevos materiales para baterías. En su estudio de investigación, el equipo demostró que la nueva minicélula de flujo es adecuada para la validación rápida de la estabilidad de los materiales. Las rigurosas pruebas realizadas con una amplia gama de materiales químicos y concentraciones ayudaron a aumentar la confianza de los investigadores en el nuevo sistema a escala reducida. Sin embargo, el equipo señala que requiere materiales de partida muy purificados y libres de impurezas que podrían obstruir los estrechos canales y tubos.
El equipo de investigación ha solicitado la protección de patente estadounidense para su nuevo diseño de batería. Si desea más información sobre oportunidades de colaboración o concesión de licencias relacionadas con la nueva tecnología, póngase en contacto con nuestro equipo de comercialización.
Un esfuerzo de equipo
La clave de su éxito, según el investigador principal y diseñador de la minicelda de flujo, Soowhan Kim, fue que el equipo tiene más de una década de experiencia en el diseño de celdas de baterías de flujo, junto con experiencia en ingeniería, mecanizado especializado y química. Por ejemplo, el experto en instrumentación y control de sistemas del PNNL Andrey Liyu utilizó su experiencia en ingeniería mecánica y microfluídica para completar la reducción de escala sin sacrificar la precisión.
"Desde pequeñas celdas a grandes pilas, podemos manejar todas las escalas de diseño y experimentación de baterías de flujo", dijo Kim, investigador principal del Grid Storage Launchpad del PNNL. "Cuando añadimos los conocimientos computacionales y la experiencia en química analítica, así es como combinamos esfuerzos para desarrollar la minicelda de flujo. Nuestra esperanza es ponerla a disposición de todos los investigadores que estén interesados en utilizarla."
¿Qué es una pila de flujo?
Como su nombre indica, las pilas 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 son una tecnología clave: almacenan energía de fuentes intermitentes, como la eólica o la hidroeléctrica, y la liberan cuando se necesita para aplicaciones a escala de red. A diferencia de las baterías tradicionales, las de flujo utilizan electrolitos líquidos almacenados en depósitos externos, lo que permite escalar la capacidad energética de forma flexible.
¿Por qué se necesitan nuevos diseños de baterías de flujo?
Para que los sistemas de baterías de flujo resulten prácticos a gran escala, los investigadores buscan nuevas combinaciones químicas y de materiales que resuelvan las limitaciones de los sistemas actuales. Algunas de estas limitaciones son el elevado coste de los materiales, la baja densidad de potencia y el deseo de obtener los materiales en Estados Unidos.
¿Cómo se descubren las nuevas pilas de flujo?
Tradicionalmente, el descubrimiento de nuevos materiales para las baterías de flujo ha sido un laborioso proceso de ensayo y error, que a menudo requería la síntesis a escala de gramos de compuestos orgánicos, pruebas exhaustivas y una inversión de tiempo considerable. Este nuevo diseño de celda miniaturizada, del tamaño de un naipe, utiliza el equivalente de unos pocos granos de arena, lo que reduce drásticamente el tiempo y los recursos necesarios para cada prueba sin dejar de ofrecer resultados fiables.
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