Un aditivo común para alimentos y medicamentos ha demostrado que puede aumentar la capacidad y la longevidad de un diseño de batería de flujo de próxima generación en un experimento que 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 en la red eléctrica, mantuvo su capacidad para almacenar y liberar energía durante más de un año de carga y descarga continuas.

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 duración y la capacidad de la batería. En una serie de experimentos, los científicos optimizaron la proporción de productos químicos en el sistema hasta que alcanzó un 60 por ciento más de potencia máxima. Luego, ciclaron la batería una y otra vez durante más de un año, y solo detuvieron el experimento cuando falló el tubo de plástico. 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 de la batería de flujo, en un proceso llamado catálisis homogénea. Esto significa que el azúcar hace su trabajo mientras se disuelve 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, un investigador de batería de PNNL desde hace mucho tiempo y el investigador principal del estudio. « Demostramos que se puede usar un tipo de catalizador totalmente diferente 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 desprenda 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 externo de líquido que circula constantemente a través de ellas para suministrar el electrolito, que es como el « suministro de sangre » para el 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 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 de energía renovable. Su ventaja es que se pueden construir a cualquier escala, desde la escala de un banco de laboratorio, como en el estudio del PNNL, hasta el tamaño de una cuadra 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 la interrupción de nuestra red eléctrica. Cuando el clima severo o la alta demanda obstaculizan la capacidad de suministrar electricidad a hogares y negocios, la energía almacenada en instalaciones de baterías de flujo a gran escala puede ayudar a minimizar las interrupciones o restaurar el servicio. Se espera que aumente la necesidad de estas instalaciones de baterías de flujo, ya que la generación de electricidad proviene cada vez más de fuentes de energía renovables, como la energía eólica, solar e hidroeléctrica. Las fuentes de energía intermitentes como estas requieren un lugar para almacenar energía hasta que se necesite 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 sintetizables, 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 con productos químicos que podamos sintetizar en grandes cantidades, al igual que las industrias farmacéutica y alimentaria ».

El trabajo en 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 una batería de flujo efectiva

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 eligió trabajar con materiales que no se habían utilizado para la investigación de baterías, pero que ya se producen para otros usos industriales.

« Estábamos buscando una forma sencilla de disolver más fluorenol en nuestro electrolito a base de agua », dijo Ruozhu Feng, el primer autor del nuevo estudio. « La β-ciclodextrina ayudó a hacer eso, 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 que subyace 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 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 los otros químicos completen su baile químico.

El estudio es la próxima generación de un diseño de batería de flujo patentado por PNNL descrito por primera vez en la revista Science en 2021. Allí, los investigadores demostraron que otro químico común, llamado fluorenona, es un componente efectivo de la batería de flujo. Pero ese avance inicial necesitaba mejoras porque el proceso era lento en comparación con la tecnología de batería de flujo comercializada. Este nuevo avance hace que el diseño de la batería sea un candidato para escalar, dicen los investigadores.

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 fluido. No obstante, los investigadores encontraron que sus beneficios superaban sus inconvenientes.

Comprender la química compleja que ocurre dentro del 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.