La energía limpia es la principal solución para el cambio climático. Pero las energías solar y eólica son incompatibles a la hora de producir suficiente energía para una red eléctrica fiable. Alternativamente, las baterías de iones de litio pueden almacenar energía, pero son un recurso limitado.
«La ventaja de una central eléctrica de carbón es que es muy estable», dijo Nian Liu, profesor asistente en el Instituto de Tecnología de Georgia. «Si la fuente de energía fluctúa como lo hace con la energía limpia, hace que sea más difícil de administrar, entonces, ¿cómo podemos usar un dispositivo o sistema de almacenamiento de energía para suavizar estas fluctuaciones?»
Las baterías de flujo ofrecen una solución. Los electrolitos fluyen a través de celdas electroquímicas desde los tanques de almacenamiento de esta batería recargable. Las tecnologías de batería de flujo existentes cuestan más de $200/kilovatio hora y son demasiado caras para una aplicación práctica, pero el laboratorio de Liu en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE) desarrolló una configuración de celda de batería de flujo más compacta que reduce el tamaño de la celda en 75% y, en consecuencia, reduce el tamaño y el costo de toda la batería de flujo. El trabajo podría revolucionar la forma en que se alimenta todo, desde los principales edificios comerciales hasta los hogares residenciales.
El equipo de investigación de Georgia Tech publicó sus hallazgos en el artículo, «Una celda de batería de flujo microtubular agrupada submilimétricamente con densidad de potencia volumétrica ultraalta», en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
Encontrar el flujo
Las baterías de flujo obtienen su nombre de la celda de flujo donde ocurre el intercambio de electrones. Su diseño convencional, la celda plana, requiere distribuidores de flujo voluminosos y juntas, lo que aumenta el tamaño y el costo, pero reduce el rendimiento general. La celda en sí también es costosa. Para reducir el espacio ocupado y el costo, los investigadores se enfocaron en mejorar la densidad de potencia volumétrica (W/L-of-cell) de la celda de flujo.
Recurrieron a una configuración comúnmente utilizada en la separación química, la membrana microtubular agrupada submilimétrica (SBMT), hecha de una membrana de filtro en forma de fibra conocida como fibra hueca. Esta innovación tiene un diseño que ahorra espacio y puede mitigar la presión a través de las membranas por las que pasan los iones sin necesidad de una infraestructura de soporte adicional.
«Estábamos interesados en el efecto de la geometría del separador de batería en el rendimiento de las baterías de flujo», dijo Ryan Lively, profesor de ChBE. «Éramos conscientes de las ventajas que impartían las fibras huecas en las membranas de separación y nos propusimos obtener esas mismas ventajas en el campo de las baterías».
Aplicando este concepto, los investigadores desarrollaron un SMBT que reduce la distancia de membrana a membrana casi 100 veces. La membrana microtubular en el diseño funciona como un distribuidor de electrolitos al mismo tiempo sin necesidad de grandes materiales de soporte. Los microtubos agrupados crean una distancia más corta entre los electrodos y las membranas, lo que aumenta la densidad de potencia volumétrica. Este diseño de agrupación es el descubrimiento clave para maximizar el potencial de las baterías de flujo.
Encendido de la batería
Para validar su nueva configuración de batería, los investigadores utilizaron cuatro químicas diferentes: vanadio, bromuro de zinc, bromuro de quinona y yoduro de zinc. Aunque todas las químicas son funcionales, dos fueron las más prometedoras. El vanadio era la química más madura, pero también menos accesible, y su forma reducida es inestable en el aire. Descubrieron que el yoduro de zinc era la opción con mayor densidad energética, lo que la convertía en la más eficaz para las unidades residenciales. El yoduro de zinc ofrece muchas ventajas incluso en comparación con el litio: tiene menos problemas en la cadena de suministro y también puede convertirse en óxido de zinc y disolverse en ácido, lo que lo hace mucho más fácil de reciclar.
Esta solución electroquímica para esta forma única de la batería de flujo demostró ser más poderosa que las celdas planas convencionales.
«El desempeño superior del SMBT también se demostró mediante el análisis de elementos finitos», dijo Xing Xie, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental. «Este método de simulación también se aplicará en nuestro estudio futuro para la optimización y ampliación del rendimiento de la celda».
Con la química de yoduro de zinc, la batería podría funcionar durante más de 220 horas o > 2500 ciclos en condiciones de menor actividad. También podría reducir potencialmente el costo de $ 800 a menos de $ 200 por kilovatio hora mediante el uso de electrolitos reciclados.
Construyendo el futuro de la energía
Los investigadores ya están trabajando en la comercialización, centrándose en desarrollar baterías con diferentes componentes químicos como el vanadio y aumentar su tamaño. El escalado requerirá idear un proceso automatizado para fabricar un módulo de fibra hueca, que ahora se hace manualmente, fibra por fibra. Con el tiempo, esperan implementar la batería en la microrred de 1,4 megavatios de Georgia Tech en Tech Square, un proyecto que prueba la integración de la microrred en la red eléctrica y ofrece un laboratorio viviente para profesores y estudiantes.
Las celdas SBMT también podrían aplicarse a diferentes sistemas de almacenamiento de energía como la electrólisis y las celdas de combustible. La tecnología podría incluso fortalecerse con materiales avanzados y química diferente en diversas aplicaciones.
«Esta innovación está muy impulsada por la aplicación», dijo Liu. «Tenemos la necesidad de alcanzar la neutralidad de carbono aumentando el porcentaje de energía renovable en nuestra generación de energía y, en este momento, es menos del 15 % en EE. UU. Nuestra investigación podría cambiar esto».
