El diseño de batería de flujo de próxima generación establece récords

Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía informa que la batería de flujo, un diseño optimizado para el almacenamiento de energía de la red eléctrica, mantuvo su capacidad de almacenar y liberar energía durante más de un año de carga y descarga continua.

El estudio, recién publicado 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 la capacidad de la batería. En una serie de experimentos, los científicos optimizaron la proporción de productos químicos en el sistema hasta alcanzar un 60 por ciento más de potencia máxima. Luego hicieron ciclos de batería una y otra vez durante más de un año, y sólo detuvieron el experimento cuando el tubo de plástico falló. Durante todo ese tiempo, la batería de flujo apenas perdió actividad para recargarse. Este es el primer experimento de batería de flujo a escala de laboratorio que informa más de un año de uso continuo con una pérdida mínima de capacidad.

El aditivo de β-ciclodextrina también es el primero en acelerar la reacción electroquímica que almacena y luego libera la energía del flujo de la batería, en un proceso llamado catálisis homogénea. Esto significa que el azúcar hace su trabajo disuelto en una solución, en lugar de como un sólido aplicado a una superficie.

'Este es un enfoque completamente nuevo para desarrollar electrolitos de batería de flujo', dijo Wei Wang, investigador de baterías del PNNL desde hace mucho tiempo y investigador principal del estudio. 'Demostramos que se puede utilizar un tipo totalmente diferente de catalizador diseñado para acelerar la conversión de energía. Y además, debido a que se disuelve en el electrolito líquido, elimina la posibilidad de que un sólido se desaloje y ensucie el sistema'.

¿Qué es una batería de flujo?

Como sugiere su nombre, las baterías de flujo constan de dos cámaras, cada una llena de un líquido diferente. Las baterías 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 baterías de estado sólido en que tienen dos tanques de suministro externos de líquido que circulan constantemente a través de ellas para suministrar el electrolito, que es como el 'suministro de sangre' del sistema. Cuanto mayor sea el tanque de suministro de electrolito, más energía podrá almacenar la batería de flujo.

Si se amplían al tamaño de un campo de fútbol o más, las baterías de flujo pueden servir como generadores de respaldo para la red eléctrica. Las baterías de flujo son uno de los pilares clave de una estrategia de descarbonización para almacenar energía a partir de recursos energéticos renovables. Su ventaja es que pueden construirse a cualquier escala, desde la escala de un laboratorio, como en el estudio del PNNL, hasta el tamaño de una manzana de la ciudad.

¿Por qué necesitamos nuevos tipos de baterías de flujo?

El almacenamiento de energía a gran escala proporciona una especie de póliza de seguro contra interrupciones en nuestra red eléctrica. Cuando las condiciones climáticas adversas o la alta demanda obstaculizan la capacidad de suministrar electricidad a hogares y empresas, la energía almacenada en instalaciones de baterías de flujo a gran escala puede ayudar a minimizar las interrupciones o restablecer el servicio. Se espera que la necesidad de estas instalaciones de baterías de flujo crezca, a medida que la generación de electricidad provenga cada vez más de fuentes de energía renovables, como la eólica, la solar y la hidroeléctrica. Las fuentes de energía intermitentes como estas requieren un lugar para almacenar energía hasta que sea necesaria para satisfacer la demanda de los consumidores.

Si bien existen 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. Es por eso que los equipos de investigación están buscando tecnologías alternativas efectivas que utilicen materiales más comunes que sean fácilmente sintetizados, estables y no tóxicos.

'No siempre podemos excavar la Tierra en busca de nuevos materiales', afirmó Imre Gyuk, director de investigación sobre almacenamiento de energía en la Oficina de Electricidad del DOE. 'Necesitamos desarrollar un enfoque sostenible con sustancias químicas que podamos sintetizar en grandes cantidades, al igual que las industrias farmacéutica y alimentaria'.

El trabajo sobre baterías de flujo es parte de un gran programa en PNNL para desarrollar y probar nuevas tecnologías para el almacenamiento de energía a escala de red que se acelerará con la apertura de Grid Storage Launchpad de PNNL en 2024.

Un 'agua azucarada' benigna endulza la olla para un flujo eficaz de la batería

El equipo de investigación del PNNL que desarrolló este nuevo diseño de batería incluye investigadores con experiencia en síntesis orgánica y química. Estas habilidades resultaron útiles cuando el equipo decidió trabajar con materiales que no se habían utilizado para la investigación de baterías, pero que ya se producían para otros usos industriales.

'Estábamos buscando una forma sencilla de disolver más fluorenol en nuestro electrolito a base de agua', dijo Ruozhu Feng, primer autor del nuevo estudio. 'La β-ciclodextrina ayudó a lograrlo, modestamente, pero su beneficio real fue esta sorprendente capacidad catalítica'.

Luego, los investigadores trabajaron con la coautora Sharon Hammes-Schiffer de la Universidad de Yale, una autoridad líder en la reacción química subyacente al impulso catalítico, para explicar cómo funciona.

Como se describe en el estudio de investigación, el aditivo de azúcar acepta protones cargados positivamente, lo que ayuda a equilibrar el movimiento de los electrones negativos a medida que la batería se descarga. Los detalles son un poco más complicados, pero es como si el azúcar endulzara la olla para permitir que los otros químicos completaran su danza química.

El estudio es la próxima generación de un diseño de batería de flujo patentado por 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 ampliarlo.

Al mismo tiempo, el equipo de investigación está trabajando para mejorar aún más 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 hace que el líquido sea más espeso, lo que no es ideal para un sistema fluido. No obstante, los investigadores descubrieron que sus beneficios superaban sus inconvenientes.

Comprender la compleja química que ocurre dentro del nuevo diseño de batería de flujo requirió la experiencia de muchos científicos, incluidos 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 de PNNL, y Benjamin JG Rousseau y Hammes-Schiffer de Yale, además de Feng y Wang.