La energía limpia es la principal solución para el cambio climático. Pero la energía solar y la eólica son poco consistentes a la hora de producir suficiente energía para una red eléctrica fiable. Por otro lado, 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», explica Nian Liu, profesor adjunto del Instituto de Tecnología de Georgia. «Si la fuente de energía fluctúa como ocurre con la energía limpia, resulta más difícil de gestionar, así que ¿cómo podemos utilizar 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 las celdas electroquímicas desde los tanques de almacenamiento de esta batería recargable.
Las tecnologías de baterías de flujo existentes cuestan más de 200 dólares/kilovatio hora y son demasiado caras para su 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 un 75% y, en consecuencia, reduce el tamaño y el coste de toda la batería de flujo. Este trabajo podría revolucionar la forma de suministrar energía a grandes edificios comerciales y viviendas.
El equipo de investigadores de Georgia Tech publicó sus hallazgos en el artículo «A Sub-Millimeter Bundled Microtubular Flow Battery Cell With Ultra-high Volumetric Power Density», en Proceedings of the National Academy of Sciences.
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Encontrar el flujo
Las baterías de flujo deben su nombre a la celda de flujo en la que se produce el intercambio de electrones. Su diseño convencional, la celda plana, requiere voluminosos distribuidores de flujo y juntas, lo que aumenta el tamaño y el coste, pero disminuye el rendimiento global. Además, la célula es cara. Para reducir el tamaño y el coste, los investigadores se centraron en mejorar la densidad de potencia volumétrica de la célula de flujo (W/L-de-célula).
Para ello recurrieron a una configuración utilizada habitualmente en la separación química, la membrana microtubular submilimétrica (SBMT), formada por una membrana filtrante 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 que atraviesan los iones sin necesidad de infraestructura de soporte adicional.
«Nos interesaba el efecto de la geometría del separador de la batería en el rendimiento de las baterías de flujo», explica Ryan Lively, profesor de ChBE. «Conocíamos las ventajas que las fibras huecas aportaban a las membranas de separación y nos propusimos hacer realidad esas mismas ventajas en el campo de las baterías».
Aplicando este concepto, los investigadores desarrollaron una SMBT que reduce casi 100 veces la distancia entre membranas. La membrana microtubular del diseño funciona al mismo tiempo como distribuidor de electrolito sin necesidad de grandes materiales de soporte. Los microtubos agrupados acortan la distancia entre electrodos y 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.
Alimentación de la batería
Para validar su nueva configuración, los investigadores utilizaron cuatro químicas distintas: vanadio, bromuro de zinc, bromuro de quinona y yoduro de zinc. Aunque todas las químicas son funcionales, dos son las más prometedoras. El vanadio era la química más madura, pero también la menos accesible, y su forma reducida es inestable en el aire. El yoduro de cinc era la opción con mayor densidad energética, por lo que resultaba la más eficaz para las viviendas. El yoduro de zinc ofrecía muchas ventajas incluso en comparación con el litio: Tiene menos problemas de cadena de suministro y además puede convertirse en óxido de zinc y disolverse en ácido, lo que facilita mucho su reciclaje.
Esta solución electroquímica para esta forma única de la pila de flujo demostró ser más potente que las pilas planas convencionales.
«El rendimiento superior de la SMBT también se demostró mediante análisis de elementos finitos», afirma Xing Xie, profesor adjunto de la Escuela de Ingeniería Civil y Medioambiental. «Este método de simulación también se aplicará en nuestro futuro estudio para optimizar el rendimiento de las células y ampliar su escala».
Con la química de yoduro de zinc, la batería podría funcionar durante más de 220 horas, o más de 2.500 ciclos en condiciones de baja demanda. También podría reducir potencialmente el coste de 800 a menos de 200 dólares por kilovatio hora al utilizar electrolito reciclado.
Construir el futuro de la energía
Los investigadores ya están trabajando en su comercialización, centrándose en el desarrollo de baterías con diferentes químicas, como el vanadio, y en el aumento de su tamaño. La ampliación exigirá un proceso automatizado para fabricar un módulo de fibra hueca, algo que ahora se hace manualmente, fibra a fibra. Con el tiempo, esperan instalar la batería en la microrred de 1,4 megavatios de Georgia Tech en Tech Square, un proyecto que pone a prueba la integración de microrredes en la red eléctrica y ofrece un laboratorio viviente para profesores y estudiantes.
Las células SBMT también podrían aplicarse a distintos sistemas de almacenamiento de energía, como la electrólisis y las pilas de combustible. La tecnología podría incluso reforzarse con materiales avanzados y una química diferente en diversas aplicaciones.
«Esta innovación está muy orientada a la aplicación», afirma Liu. «Tenemos la necesidad de alcanzar la neutralidad de carbono aumentando el porcentaje de energías renovables en nuestra generación de energía, y ahora mismo es inferior al 15% en EE.UU. Nuestra investigación podría cambiar esto».
Noticia tomada de: Science Daily / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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