La nueva batería Flow dura todo el año con azúcar simple

La nueva batería de flujo utiliza la β-ciclodextrina de azúcar simple para obtener una fórmula de almacenamiento de energía abundante, sostenible y de larga duración.

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Cuando los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía se propusieron mejorar las baterías de flujo, no estaban bromeando. Se les ocurrió una solución a base de azúcar que puede durar todo el año y más. El descubrimiento podría conducir a nuevos sistemas de almacenamiento de energía de bajo costo y larga duración que pueden eliminar la energía fósil al capturar energía eólica y solar durante semanas, meses o incluso estaciones enteras.

Las baterías de flujo aún no se han generalizado, pero poco a poco están apareciendo en el mercado.

Las baterías de iones de litio siguen siendo el estándar de oro para los sistemas de almacenamiento de energía que se pueden recargar una y otra vez. La tecnología de iones de litio es una buena opción para todo tipo de dispositivos, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. El problema surge a escala de la red, cuando se necesita almacenamiento de energía para suavizar los problemas en la disponibilidad de energía eólica o solar, o ambas.

A esa escala, los bancos de baterías de iones de litio sólo pueden durar unas pocas horas. Agregar más bancos para crear un efecto en cascada podría ayudar a alargar el cronograma. Sin embargo, esto genera costos prohibitivos, incluido el costo de administrar un sistema tan complejo.

Para proporcionar almacenamiento de energía a escala de servicios públicos durante todo el día a medida que ingresa más energía eólica y solar a la red, una batería de flujo es ideal.

Las baterías de flujo aprovechan la capacidad de líquidos especializados para crear una corriente eléctrica cuando fluyen uno al lado del otro, separados por una fina membrana. Los líquidos se almacenan en tanques hasta que se necesitan, lo que significa que la batería de flujo se puede encender o apagar rápidamente, según sea necesario. La ampliación de escala no aumenta apreciablemente la complejidad de un sistema de batería de flujo, porque la escala depende principalmente del tamaño de los tanques.

Los diseños actuales de baterías de flujo representan un proceso de mejora de 50 años que comenzó a tomar forma en la década de 1970. En aquel entonces, la corrosión, el tamaño, el peso, la toxicidad y la baja densidad energética estaban entre los problemas a resolver. Sin embargo, a la ciencia le encantan los desafíos.

La NASA estuvo a la vanguardia del movimiento. El año pasado, la agencia señaló que su “batería líquida” de décadas de antigüedad, fabricada únicamente con hierro, sal y agua, ha recibido nueva vida gracias a la startup de almacenamiento de energía de larga duración ESS. Empresas de ingeniería tradicionales como Cummins también están trabajando para desarrollar una nueva generación de baterías de flujo (consulte más cobertura de CleanTechnica aquí).

La contribución del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico es el primer uso de β-ciclodextrina, un azúcar simple derivado del almidón, en una fórmula de batería de flujo.

Los azúcares simples se componen de sólo una o dos moléculas, a diferencia de los carbohidratos complejos como el almidón. Se pueden sintetizar en el laboratorio, lo que proporciona una alternativa más sostenible a los materiales extraídos para otras fórmulas de baterías.

La β-ciclodextrina no es un azúcar simple cualquiera. Es una molécula única con forma de cono comúnmente utilizada en la industria farmacéutica para fabricar medicamentos porque puede albergar otras moléculas dentro del cono hasta que su superficie exterior se disuelva. Esto proporciona otra ventaja más, en términos de tener a mano una base de conocimientos sobre la cadena de suministro.

Los investigadores también han descubierto usos adicionales para la “cavidad de unión” de la β-ciclodextrina. Por ejemplo, un equipo de la Universidad Northwestern está utilizando β-ciclodextrina para desarrollar un proceso ecológico para extraer oro del mineral.

El equipo de PNNL se centró en la β-ciclodextrina porque buscaban una forma sencilla de introducir más fluorenol en su batería de flujo. El fluorenol es un derivado alcohólico del fluoreno que ha comenzado a surgir en la nueva tecnología de baterías de flujo, incluida la investigación bajo el paraguas de PNNL.

Aparentemente, la idea detrás de la nueva investigación era encapsular fluorenol en moléculas de β-ciclodextrina, que se disolverían cuando se introdujeran en una solución de batería de flujo. Esta resultó no ser una forma muy eficiente de administrar más fluorenol, pero sí resultó en que una buena cantidad de β-ciclodextrina ingresara a la batería de flujo PNNL.

La β-ciclodextrina marcó una diferencia inesperada, actuando como un agente que motiva una mayor actividad en otras sustancias químicas en la solución.

El equipo publicó sus nuevos hallazgos la semana pasada en la revista Joule bajo el título "Oxidación de alcohol regulada por protones para anolito de batería de flujo a base de cetonas de alta capacidad", en el que señalan los desafíos involucrados en las baterías de flujo a base de fluorenona ( La fluorenona resulta de la oxidación del fluoreno).

Las cetonas son las moléculas producidas por el cuerpo para descomponer la grasa cuando no hay suficiente azúcar disponible en la sangre, de las cuales la fluorenona es un ejemplo. Como señala el equipo del PNNL, el nivel de actividad de las baterías de flujo a base de fluorenona se ve obstaculizado por la lenta velocidad a la que se oxida el alcohol. En su solución, la β-ciclodextrina actúa como un regulador de protones que acelera la oxidación.

"Las baterías de flujo a base de fluorenona con el aditivo orgánico β-ciclodextrina demuestran una capacidad de velocidad mejorada, alta capacidad y ciclos prolongados", concluyeron.

"Este estudio abre una nueva vía para mejorar la cinética de las baterías de flujo orgánico acuoso modulando la vía de reacción con un catalizador homogéneo", agregaron, refiriéndose a la acción de un catalizador disuelto en una solución, en lugar de un catalizador sólido aplicado a una superficie.

En un comunicado de prensa de seguimiento fechado el 10 de julio, PNNL señaló que el equipo modificó su nueva fórmula hasta que la batería de flujo alcanzó un 60% más de potencia máxima que las versiones anteriores. Lo hicieron pasar por ciclos continuos de carga y descarga durante más de un año con sólo una pérdida mínima de capacidad.

"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", señaló PNNL.

El investigador principal del estudio, Wei Wang, investigador del PNNL desde hace mucho tiempo, enfatizó que la β-ciclodextrina es un enfoque totalmente nuevo para la formulación de baterías de flujo.

“Demostramos que se puede utilizar un tipo de catalizador totalmente diferente diseñado para acelerar la conversión de energía. Y además, al estar disuelto en el electrolito líquido, elimina la posibilidad de que un sólido se desaloje y ensucie el sistema”, explicó.

El experimento de un año de duración terminó sólo cuando falló el tubo de plástico de la batería.

El éxito a escala de laboratorio es otro paso hacia la ampliación al tamaño de un campo de fútbol previsto para sistemas de almacenamiento de energía a gran escala y de larga duración. Los próximos pasos implican encontrar un mejor plástico y modificar la fórmula para mejorar el rendimiento. Entre otras tareas, el equipo busca una molécula similar a la β-ciclodextrina, pero más pequeña.

PNNL ya está planeando incluir la nueva batería de flujo en su próxima iniciativa Grid Storage Launchpad, que comenzará formalmente en 2024, así que estad atentos para obtener más información al respecto.

PNNL es parte de la extensa red de laboratorios nacionales bajo el paraguas del Departamento de Energía de EE.UU. que representa una enorme inversión en financiación pública para investigaciones científicas que benefician el bienestar común, por lo que abrazo grupal para los contribuyentes.

Además de Wang y el primer autor Ruozhu Feng, otros investigadores que trabajan en la nueva batería de flujo son los científicos del PNNL 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, junto con Benjamin JG Rousseau y Hammes-Schiffer de Yale.

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Crédito de la imagen: “Los investigadores del PNNL desarrollaron una nueva batería de flujo económica y eficaz que utiliza un derivado de azúcar simple llamado β-ciclodextrina (rosa) para acelerar la reacción química que convierte la energía almacenada en enlaces químicos (púrpura a naranja), liberando energía ( electrones) para alimentar un circuito externo. Un proceso reversible paralelo (rojo-verde) en la solución de catolito positivo equilibra las cargas positivas y negativas durante la carga y descarga” (animación de Sara Levine/PNNL).

Tina se especializa en sostenibilidad militar y corporativa, tecnología avanzada, materiales emergentes, biocombustibles y cuestiones de agua y aguas residuales. Las opiniones expresadas son suyas. Síguela en Twitter @TinaMCasey y Spoutible.

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