Una nueva receta proporciona un camino hacia una batería de flujo segura, económica, a base de agua y fabricada con materiales abundantes en la Tierra.
En un gran avance para el almacenamiento de energía a gran escala, investigadores del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico han reutilizado un químico común, empleado en instalaciones de tratamiento de agua, para desarrollar un nuevo diseño de batería. Esta innovación abre la puerta a una batería de flujo basada en agua, segura, económica y fabricada con materiales abundantes en la Tierra, ofreciendo una nueva solución para integrar fuentes de energía intermitentes como la eólica y solar en la red eléctrica nacional.
En un estudio publicado en Nature Communications, los investigadores revelaron que su batería a escala de laboratorio, basada en hierro, demostró una estabilidad de ciclo excepcional a lo largo de más de mil ciclos de carga consecutivos, manteniendo el 98.7% de su capacidad máxima. Esto representa una mejora significativa en comparación con estudios previos de baterías basadas en hierro, que mostraron una degradación de la capacidad de carga dos órdenes de magnitud mayor, a lo largo de menos ciclos de carga.
Las baterías de flujo basadas en hierro, diseñadas para el almacenamiento de energía a gran escala, existen desde la década de 1980, y algunas están disponibles comercialmente. Lo que distingue a esta batería es que almacena energía en una fórmula química líquida única que combina hierro cargado con un electrolito líquido a base de fosfato de pH neutro, o portador de energía. De manera crucial, el químico, denominado triphosphonato nitrogenado, ácido nitrilotrimetilfosfónico o NTMPA, está disponible comercialmente en cantidades industriales, ya que se utiliza típicamente para inhibir la corrosión en plantas de tratamiento de agua.
Los fosfonatos, incluido el NTMPA, son una amplia familia química basada en el elemento fósforo. Muchos fosfonatos se disuelven bien en agua y son químicos no tóxicos utilizados en fertilizantes y detergentes, entre otros usos.
Buscábamos un electrolito que pudiera unir y almacenar hierro cargado en un complejo líquido a temperatura ambiente y condiciones operativas suaves con pH neutro. Nos motiva desarrollar materiales de batería que son abundantes en la Tierra y se pueden obtener a nivel nacional.
Guosheng Li, un científico sénior en PNNL
¿Qué es una batería de flujo?
Como su nombre lo sugiere, las baterías de flujo constan de dos cámaras, cada una llena con un líquido diferente. Las baterías se cargan a través de una reacción electroquímica y almacenan energía en enlaces químicos. Cuando se conectan a un circuito externo, liberan esa energía, la cual puede alimentar dispositivos eléctricos. A diferencia de otras baterías convencionales, las baterías de flujo cuentan con dos tanques de suministro externos de líquido que circulan constantemente a través de ellas, sirviendo como el «suministro de sangre» del sistema de la batería. Cuanto mayor es el tanque de suministro de electrolito, más energía puede almacenar la batería de flujo.
Las baterías de flujo pueden servir como generadores de respaldo para la red eléctrica y son uno de los pilares clave de una estrategia de descarbonización para almacenar energía de fuentes de energía renovables. Su ventaja es que pueden construirse a cualquier escala, desde la escala de laboratorio, como en el estudio de PNNL, hasta el tamaño de una manzana de ciudad.
A corto plazo, los operadores de la red buscan ubicar sistemas de almacenamiento de energía de baterías (BESS) en áreas urbanas o suburbanas cerca de los consumidores de energía. A menudo, los planificadores urbanos deben lidiar con preocupaciones de seguridad de los consumidores. El tipo de batería de flujo acuoso reportada aquí podría ayudar a aliviar las preocupaciones de seguridad.
Una instalación BESS utilizando una química similar a la que hemos desarrollado aquí tendría la ventaja de operar en agua a pH neutro. Además, nuestro sistema utiliza reactivos comercialmente disponibles que no se han investigado previamente para su uso en baterías de flujo.
Aaron Hollas, autor del estudio y líder del equipo en el Grupo de Materiales y Sistemas de Baterías de PNNL.
El equipo de investigación informó que su diseño inicial puede alcanzar una densidad de energía, una característica clave de diseño, de hasta 9 vatios-hora por litro (Wh/L). En comparación, los sistemas comercializados basados en vanadio son más del doble de densos en energía, a 25 Wh/L. Las baterías de mayor densidad energética pueden almacenar más energía en un espacio más pequeño, pero un sistema construido con materiales abundantes en la Tierra podría escalarse para proporcionar la misma salida de energía.
Desarrollo futuro de baterías de flujo redox acuosas
Nuestro próximo paso es mejorar el rendimiento de la batería enfocándonos en aspectos como la salida de voltaje y la concentración de electrolito, lo que ayudará a aumentar la densidad de energía. Nuestra salida de voltaje es menor que la salida típica de la batería de flujo de vanadio. Estamos trabajando en formas de mejorar eso.
Guosheng Li
Los investigadores de PNNL planean escalar esta y otras nuevas tecnologías de baterías en una nueva instalación llamada Grid Storage Launchpad (GSL) que se inaugurará en PNNL en 2024. El GSL ayudará a acelerar el desarrollo de tecnología de baterías de flujo futuras y estrategias para que los nuevos sistemas de almacenamiento de energía puedan desplegarse de manera segura.
Vía www.pnnl.gov
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