Un popular aditivo para alimentos y medicamentos ha demostrado que puede aumentar la capacidad y la vida útil de un diseño de batería de flujo de próxima generación en un experimento sin precedentes.
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 almacenar energía de la red eléctrica, retuvo la 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 vida útil y la capacidad de la batería. En una serie de experimentos, los investigadores optimizaron la proporción de productos químicos en el sistema hasta que alcanzó un 60 por ciento más de potencia máxima.
Luego, ciclaron la batería durante más de un año, deteniendo el experimento solo cuando falló un tubo de plástico. Durante todo este tiempo, la batería de flujo apenas perdió su actividad para recargarse. Este es el primer experimento a escala de laboratorio con una batería de flujo continuo, con más de un año de uso continuo con una pérdida mínima de capacidad.
La adición de β-ciclodextrina también es la primera en acelerar la reacción electroquímica que almacena y luego libera la energía de la batería de flujo en un proceso llamado catálisis homogénea. Esto significa que el azúcar hace su trabajo cuando se disuelve en una solución y no como un sólido depositado sobre una superficie.
“Este es un enfoque completamente nuevo para desarrollar un electrolito para baterías de flujo”, dijo Wei Wang, investigador de baterías de PNNL desde hace mucho tiempo e investigador principal del estudio. “Hemos demostrado que se puede usar un tipo de catalizador completamente diferente para acelerar la conversión de energía. Además, debido a que se disuelve en el electrolito líquido, elimina la posibilidad de que los depósitos sólidos se expulsen y contaminen el sistema”.
¿Qué es una batería de flujo?
Como sugiere el nombre, las baterías de flujo constan de dos cámaras, cada una de las cuales se llena con un líquido diferente. Las baterías se cargan por reacción electroquímica y almacenan energía en enlaces químicos. Cuando se conectan a un circuito externo, liberan energía que puede alimentar dispositivos eléctricos. Las baterías de flujo se diferencian de las baterías de estado sólido en que tienen dos depósitos externos con fluido que circula constantemente dentro de ellos, suministrando electrolito, que es como un “suministro de sangre” al sistema. Cuanto más grande 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 se pueden usar como generadores de respaldo para la red eléctrica. Las baterías de flujo son uno de los pilares clave de la estrategia de descarbonización para almacenar energía procedente de fuentes de energía renovables. Su ventaja es que se pueden construir a cualquier escala, desde una escala 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 proporciona una especie de póliza de seguro contra perturbaciones en nuestra red eléctrica. Cuando las condiciones climáticas severas o la alta demanda limitan la capacidad de suministrar electricidad a hogares y empresas, la energía almacenada en instalaciones de baterías a gran escala puede ayudar a minimizar las interrupciones o restaurar los servicios. Se espera que la demanda de estos dispositivos de batería de flujo continuo crezca a medida que la generación de electricidad proviene cada vez más de fuentes de energía renovables como la eólica, la solar y la hidroeléctrica. Las fuentes de energía con características irregulares como estas requieren espacio para almacenar energía hasta que se necesite para satisfacer la demanda del consumidor.
Si bien hay muchos diseños de baterías de flujo y algunas instalaciones comerciales, las instalaciones comerciales existentes dependen de minerales extraídos como el vanadio, que son caros y difíciles de conseguir. Por lo tanto, los equipos de investigación están buscando tecnologías alternativas efectivas, utilizando materiales más comunes que sean fáciles de sintetizar, estables y no tóxicos.
“No siempre podemos excavar la Tierra en busca de nuevos materiales”, dijo Imre Gyuk, director de investigación de almacenamiento de energía en la Oficina de Electricidad del DOE. “Necesitamos desarrollar un enfoque sostenible para los productos químicos que podamos sintetizar en grandes cantidades, similar a las industrias farmacéutica y alimentaria”.
El trabajo en baterías de flujo es parte de un importante programa de PNNL para desarrollar y probar nuevas tecnologías de almacenamiento de energía a escala de red, que se acelerará con la apertura de PNNL Launchpad para almacenamiento web en 2024
El “agua azucarada” suave endulza la olla para un grifo de flujo efectivo.
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 utilizaron en la investigación de baterías pero que ya se están produciendo para otras aplicaciones 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 hacer eso, modestamente, pero el 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 que subyace a la aceleración catalítica, para explicar cómo funciona.
Como se describe en el estudio, el azúcar agregado adquiere protones con carga positiva, lo que ayuda a equilibrar el movimiento de los electrones negativos a medida que se descarga la batería. Los detalles son un poco más complicados, pero es como si el azúcar endulzara la olla para permitir que otros químicos completen su baile químico.
El estudio es la próxima generación de la batería de flujo patentada de PNNL, descrita por primera vez en la revista Ciencia en 2021. Allí, los científicos demostraron que otro químico común, llamado fluorenona, es un elemento efectivo de una batería de flujo. Pero este avance inicial necesitaba mejoras porque el proceso era lento en comparación con la tecnología de batería de flujo comercializada. Los investigadores dicen que este nuevo avance hace que el diseño de la batería sea un candidato para la ampliación.
Al mismo tiempo, el equipo de investigación está trabajando para mejorar aún más el sistema experimentando con otros compuestos que son 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 de flujo continuo. Sin embargo, los investigadores encontraron que sus ventajas superan las desventajas.
Comprender la compleja química involucrada en el nuevo diseño de la 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.
El equipo de investigación ha solicitado la protección de patentes de EE. UU. para su nuevo diseño de batería.
Más información:
Ruozhu Feng et al., Oxidación de alcohol regulada por protones para anolito de flujo basado en cetona de alta capacidad, Joule (2023). DOI: 10.1016/joule.2023.06.013