Un compuesto que se encuentra comúnmente en las velas ilumina el camino hacia el almacenamiento de energía a escala de la red

El compuesto ampliamente utilizado en velas es prometedor para desafíos energéticos mucho más modernos: almacenar grandes cantidades de energía para alimentar a la red eléctrica cuando sea necesario.

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. Han demostrado que los compuestos orgánicos baratos son prometedores para el almacenamiento de energía en la red. La fluorenona simple, un polvo amarillo claro, fue inicialmente un participante reacio, pero con suficiente persuasión química, demostró ser un fuerte socio de almacenamiento de energía en sistemas de baterías de flujo, grandes sistemas de almacenamiento de energía para la red.

El desarrollo de un almacén de este tipo es fundamental. Por ejemplo, cuando una red falla debido a condiciones climáticas severas, se activan baterías grandes que están en desarrollo, lo que aumenta la resistencia de la red y minimiza las perturbaciones. Las baterías también se pueden usar para almacenar energía renovable del viento y el sol, para usar cuando el viento está tranquilo o el sol no brilla.

Los detalles de la investigación, respaldada por la Oficina de Electricidad del DOE, se publicaron en la edición del 21 de mayo de la revista. Ciencias.

“La tecnología de baterías fluidas es una parte clave del objetivo del Departamento de Energía de reducir los costos de almacenamiento de energía en la red durante la próxima década”, dijo Imre Gyuk, director de Almacenamiento de Energía, Oficina de Electricidad del DOE. “El progreso ha sido rápido y los costos se han reducido significativamente, pero se necesita más investigación para que el almacenamiento de energía esté disponible a escala de la red”.

Acumuladores de flujo para la red: ecológicos

Los científicos están haciendo grandes avances en la creación de mejores baterías: almacenan más energía a un costo menor y duran más que nunca. Los resultados tocan muchos aspectos de nuestra vida, haciéndola más resistente. redes electricas, baterías de laptops de mayor duración, más vehículos eléctricos y más uso de energía renovable proveniente del viento, el sol brillante o Agua que fluye.

Para las baterías a escala de red, identificar los materiales correctos y combinarlos para crear una nueva receta de almacenamiento de energía es un paso clave en el uso y almacenamiento de energía renovable en todo el mundo. Las baterías a escala de red más comúnmente utilizadas utilizan tecnología de iones de litio, pero son difíciles de adaptar de un momento a otro de la forma más útil para la red, y existen problemas de seguridad. Los acumuladores de flujo redox son una alternativa cada vez mayor; sin embargo, la mayoría usa vanadio, que es caro, escaso y propenso a fluctuaciones de precios. Estas características constituyen obstáculos para el almacenamiento de energía generalizado a escala de red.

Los materiales alternativos para las baterías de flujo incluyen moléculas orgánicas que son mucho más accesibles, respetuosas con el medio ambiente y más baratas que el vanadio. Sin embargo, los productos orgánicos no han logrado satisfacer las demandas de la tecnología de baterías de flujo, y por lo general se agotan más rápido de lo requerido. La estabilidad a largo plazo de las moléculas es importante, de modo que conserven la capacidad de sufrir reacciones químicas durante muchos años.

“Estos materiales orgánicos están hechos de los materiales más comunes disponibles: carbono, hidrógeno y oxígeno”, dijo Wei Wang, científico de PNNL que dirige el equipo de baterías de flujo continuo. “Son de fácil acceso; no necesitan ser extraídos como lo hacen sustancias como el vanadio. Esto los hace muy atractivos para el almacenamiento de energía a escala de red ”.

en Ciencias El equipo de Wang demostró que, sorprendentemente, la fluorenona orgánica barata no solo es un buen candidato, sino también un actor destacado en lo que respecta al almacenamiento de energía.

En pruebas de laboratorio que imitaban las condiciones reales, la batería PNNL funcionó de forma continua durante 120 días, y solo terminó cuando otros dispositivos no relacionados con la batería en sí se habían agotado. La batería se sometió a 1,111 ciclos completos de carga y descarga, el equivalente a varios años en condiciones normales de funcionamiento, y perdió menos del 3 por ciento de su capacidad energética. Otras baterías de flujo de base orgánica duraron mucho menos tiempo.

La batería de flujo que creó el equipo mide solo unos 10 centímetros cuadrados, aproximadamente del tamaño de un sello postal grande, y genera alrededor de 500 milivatios de energía, ni siquiera lo suficiente para alimentar la cámara de un teléfono celular. Sin embargo, este pequeño diseño es muy prometedor: su densidad de energía es más del doble que la de las baterías de vanadio actuales, y sus componentes químicos son económicos, duraderos y ampliamente disponibles.

La ingeniería molecular revierte los efectos de la fluorenona

El desarrollo fue posible gracias a un equipo de científicos que incluía al primer autor Ruozhu Feng, el gerente técnico Xin Zhang y otros.

Los científicos de PNNL desempeñaron un papel importante en el desarrollo de las actuales baterías de flujo basadas en vanadio. Hace unos años, el equipo centró su atención en las moléculas orgánicas debido a su amplia disponibilidad y bajo costo. En 2018, Zhang se unió al equipo en un esfuerzo por ajustar el material de almacenamiento de energía, aportando un conocimiento profundo de fluorenone de investigaciones anteriores sobre LED.

La fluorenona también se usa en paneles solares, en productos farmacéuticos como los medicamentos contra la malaria y en velas para darles una fragancia agradable. Es económico y está fácilmente disponible como producto de desecho del alquitrán de hulla y de la producción de ácido benzoico, un aditivo alimentario común.

Zhang centró su atención en la fluorenona como el corazón de una batería de flujo (a base de agua), pero había barreras. Primero, la molécula no era suficientemente soluble en agua. Y la molécula no mostró reversibilidad redox en soluciones acuosas; es decir, los científicos no han demostrado que pueda aceptar y donar electrones con facilidad, que son dos pasos complementarios y obligatorios para una batería de flujo continuo.

Feng desarrolló una serie de pasos químicos complejos, lo que Wang llama “ingeniería molecular”, para convertir la fluorenona en un compuesto redox soluble en agua y reversible. Una parte del proceso ha sido fácil para la fluorenona durante mucho tiempo: obtener un electrón a través de un proceso conocido como reducción. Sin embargo, se necesitó la feroz persuasión química de Feng para provocar la otra mitad del proceso, la oxidación, la pérdida de un electrón, para hacer que el proceso sea reversible y adecuado para el almacenamiento de energía.

Sorprendentemente, Feng descubrió que la capacidad de la fluorenona para llevar a cabo reacciones reversibles depende de su concentración: más soluble en agua permite la reversibilidad. Los científicos no han presenciado este fenómeno. moléculas orgánicas antes de.

“Este es un gran ejemplo del uso de la ingeniería molecular para cambiar un material de lo que generalmente se considera inviable a algo útil para el almacenamiento de energía”, dijo Wang. “Esto abre un nuevo espacio químico importante que podemos explorar”.

El equipo también aumentó la solubilidad en agua de la fluorenona de casi 0 para la fluorenona prístina a 1,5 moles por litro, dependiendo de la modificación del compuesto. La solubilidad en las baterías de flujo a base de agua es esencial; cuanto más se disuelve un material en agua, más disponible como socio químico para el intercambio de electrones en el corazón de la batería.

PNNL fomenta la comercialización de baterías de flujo de agua redox basadas en fluorenona y primero solicitó una patente para esta innovación.

El trabajo en baterías de flujo es parte de un gran programa en PNNL para desarrollar y probar nuevas tecnologías a escala de red. almacen de energia. PNNL fue seleccionado a principios de este año para albergar Grid Storage Launchpad, una instalación establecida por la Oficina de Electricidad del DOE para acelerar el desarrollo y las pruebas de grandes baterías de red. El objetivo principal es aumentar fácilmente el uso materiales disponibles y reducir costos haciendo almacenamiento renovable energía posible durante mucho tiempo.

Además de Feng, Zhang y Wang, los autores son los científicos de PNNL Vijayakumar Murugesan, Aaron Hollas, Ying Chen, Yuyan Shao, Eric Walter, Nadeesha Wellal, Litao Yan y Kevin Rosso. Se realizaron varias mediciones de espectrometría de masas y resonancia magnética nuclear en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación de servicios públicos de la Oficina de Ciencias del DOE.