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batería de flujo

Una batería de flujo , o batería de flujo redox (por reducción-oxidación ), es un tipo de celda electroquímica donde la energía química es proporcionada por dos componentes quím...

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Una batería de flujo , o batería de flujo redox (por reducción-oxidación ), es un tipo de celda electroquímica donde la energía química es proporcionada por dos componentes químicos disueltos en líquidos que se bombean a través del sistema en lados separados de una membrana. [ 1 ] [ 2 ] La transferencia de iones dentro de la celda (acompañada por el flujo de corriente a través de un circuito externo) ocurre a través de la membrana mientras los líquidos circulan en sus respectivos espacios.

Una batería de flujo puede utilizarse como una pila de combustible (donde se añaden al sistema un nuevo negolito cargado (también conocido como reductor o combustible) y un posolito cargado (también conocido como oxidante)) o como una batería recargable (donde una fuente de energía eléctrica impulsa la regeneración del reductor y el oxidante).

La diferencia fundamental entre las baterías convencionales y las de flujo radica en que, en las baterías convencionales, la energía se almacena en el material del electrodo , mientras que en las de flujo se almacena en el electrolito . Según Battery Council International, esto proporciona a las baterías de flujo ventajas en cuanto a escalabilidad y capacidad de almacenamiento de energía a largo plazo, lo que las hace ideales para aplicaciones estacionarias que requieren energía constante y fiable. [ 3 ]

Las baterías de flujo tienen ciertas ventajas técnicas sobre las baterías recargables convencionales con materiales electroactivos sólidos, como el escalado independiente de la potencia (determinado por el tamaño del conjunto) y de la energía (determinado por el tamaño de los tanques), una larga vida útil en ciclos y calendarios, [ 4 ] y un coste total de propiedad potencialmente menor en tiempos de diseño de medio ciclo de varias horas. Sin embargo, las baterías de flujo sufren una menor eficiencia energética de ciclo (50-80%). Este inconveniente proviene de la necesidad de operar las baterías de flujo a altas (>= 100 mA/cm2) densidades de corriente para reducir el efecto de la difusión interna (a través de la membrana/separador) y para reducir el coste de la energía (tamaño de los conjuntos). Además, la mayoría de las baterías de flujo (Zn-Cl2 , Zn-Br2 y H2 - LiBrO3 son excepciones) tienen una energía específica menor (mayor peso) que las baterías de iones de litio . El mayor peso se debe principalmente a la necesidad de utilizar un disolvente (generalmente agua) para mantener las especies redox activas en la fase líquida. [ 5 ]

El voltaje de la celda está determinado químicamente por la ecuación de Nernst y, en aplicaciones prácticas, varía de 1,0 a 2,43 voltios . La capacidad energética aumenta con el volumen de los fluidos en los tanques, y la potencia aumenta con el tamaño del conjunto. [ 6 ]

Las baterías de flujo se pueden clasificar utilizando diferentes esquemas:

1) Flujo completo (donde todos los reactivos están en fases fluidas : gases, líquidos o soluciones líquidas), como la batería de flujo redox de vanadio, frente a flujo semiflujo, donde una o más fases electroactivas son sólidas, como la batería de zinc-bromo .

2) Tipo de reactivos: inorgánicos frente a orgánicos [ 7 ] y formas orgánicas. [ 8 ] Hasta 2025, solo se habían demostrado baterías de flujo redox inorgánicas a escala comercial. Las baterías de flujo redox orgánicas suelen presentar poca durabilidad. [ 9 ]

3) Según el diseño del separador celular: RFB con membrana frente a RFB sin membrana.

En 2021, la clasificación de patentes para baterías de flujo no estaba completamente desarrollada. La Clasificación Cooperativa de Patentes considera las baterías de flujo como una subclase de celdas de combustible regenerativas (H01M8/18), aunque sería más apropiado considerar las celdas de combustible como una subclase de baterías de flujo.

Historia

La batería de flujo de zinc-bromo (Zn-Br₂ ) fue la batería de flujo original. [ 6 ] John Doyle presentó la patente US 224404  el 29 de septiembre de 1879. Las baterías de Zn-Br₂ tienen una energía específica relativamente alta y se probaron en automóviles eléctricos en la década de 1970. [ 10 ]

Walther Kangro, un químico estonio que trabajaba en Alemania en la década de 1950, fue el primero en demostrar baterías de flujo basadas en iones de metales de transición disueltos: Ti–Fe y Cr–Fe. [ 11 ] Después de las experimentaciones iniciales con la química de la batería de flujo redox (RFB) de Ti–Fe, la NASA y grupos en Japón y otros lugares seleccionaron la química de Cr–Fe para su posterior desarrollo. Se utilizaron soluciones mixtas (es decir, que comprenden especies de cromo y hierro tanto en el negolito como en el posolito) para reducir el efecto de la concentración variable en el tiempo durante el ciclo.

A finales de la década de 1980, Sum, Rychcik y Skyllas-Kazacos [ 12 ] en la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Australia demostraron la química de las baterías de flujo redox de vanadio. La UNSW registró varias patentes relacionadas con las baterías de flujo redox de vanadio , que posteriormente fueron licenciadas a empresas japonesas, tailandesas y canadienses, las cuales intentaron comercializar esta tecnología con éxito variable. [ 13 ]

Las baterías de flujo redox orgánicas surgieron en 2009. [ 14 ]

En 2022, Dalian , China, comenzó a operar una batería de flujo de vanadio de 400 MWh y 100 MW, la más grande de su tipo hasta ese momento. [ 15 ]

Sumitomo Electric ha construido baterías de flujo para su uso en Taiwán, Bélgica, Australia, Marruecos y California. El parque de baterías de flujo de Hokkaido era el más grande del mundo cuando se inauguró en abril de 2022, hasta que China instaló uno ocho veces más grande que puede igualar la producción de una planta de gas natural . [ 16 ]

El logaritmo del número de publicaciones relacionadas con fuentes de energía electroquímicas por año. También se muestra, como la línea magenta, el precio del petróleo ajustado a la inflación en US$/litro en escala lineal.

Diseño

Una batería de flujo es una pila de combustible recargable en la que un electrolito que contiene uno o más elementos electroactivos disueltos fluye a través de una celda electroquímica que convierte reversiblemente la energía química en energía eléctrica . Los elementos electroactivos son "elementos en solución que pueden participar en una reacción electroquímica o que pueden adsorberse en el electrodo". [ 17 ]

El electrolito se almacena externamente, generalmente en tanques, y normalmente se bombea a través de la celda (o celdas) del reactor. [ 18 ] Las baterías de flujo se pueden "recargar" rápidamente reemplazando el electrolito líquido descargado (análogo al repostaje de motores de combustión interna ) mientras se recupera el material gastado para recargar. También se pueden recargar in situ . Muchas baterías de flujo utilizan electrodos de fieltro de carbono debido a su bajo costo y conductividad eléctrica adecuada, a pesar de su densidad de potencia limitada debido a su baja actividad inherente hacia muchos pares redox. [ 19 ] [ 20 ] La cantidad de electricidad que se puede generar depende del volumen de electrolito.

Las baterías de flujo se rigen por los principios de diseño de la ingeniería electroquímica . [ 21 ]

Evaluación

Las baterías de flujo redox, y en menor medida las baterías de flujo híbridas, tienen las siguientes ventajas:

  • Escalado independiente de energía (tanques) y potencia (pila), lo que permite una optimización de costos/peso/etc. para cada aplicación.
  • Larga vida útil en cuanto a ciclos de carga y duración (debido a que no hay transiciones de fase sólido-sólido , que degradan las baterías de iones de litio y similares).
  • Tiempos de respuesta rápidos
  • No es necesario realizar una carga de "ecualización" (sobrecargar la batería para asegurar que todas las celdas tengan la misma carga).
  • Sin emisiones nocivas
  • Escasa o nula autodescarga durante los períodos de inactividad.
  • Reciclaje de materiales electroactivos

Algunos tipos ofrecen una fácil determinación del estado de carga (a través de la dependencia del voltaje con respecto a la carga), bajo mantenimiento y tolerancia a la sobrecarga/sobredescarga.

Son seguras porque normalmente no contienen electrolitos inflamables, y los electrolitos se pueden almacenar lejos de la pila de alimentación.

Las principales desventajas son: [ 22 ]

  • Baja densidad energética (se requieren grandes tanques para almacenar cantidades útiles de energía).
  • Bajas tasas de carga y descarga. Esto implica el uso de electrodos y separadores de membrana de gran tamaño, lo que aumenta el costo.
  • Menor eficiencia energética, porque funcionan a densidades de corriente más altas para minimizar los efectos de la descarga cruzada (autodescarga interna) y para reducir costes.

Las baterías de flujo suelen tener una mayor eficiencia energética que las pilas de combustible , pero menor que las baterías de iones de litio . [ 23 ]

Las químicas tradicionales de baterías de flujo tienen una energía específica baja (lo que las hace demasiado pesadas para vehículos totalmente eléctricos) y una potencia específica baja (lo que las hace demasiado caras para el almacenamiento de energía estacionario). Sin embargo, se demostró una alta potencia de 1,4 W/cm² para  baterías de flujo de hidrógeno-bromo, y una alta energía específica (530 Wh/kg a nivel del tanque) para baterías de flujo de hidrógeno-bromato [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ].

Baterías de flujo tradicionales

La celda redox utiliza especies redox-activas en medios fluidos (líquidos o gaseosos). Las baterías de flujo redox son celdas recargables ( secundarias ). [ 27 ] Debido a que emplean transferencia de electrones heterogénea en lugar de difusión en estado sólido o intercalación, son más similares a las celdas de combustible que a las baterías convencionales. La razón principal por la que las celdas de combustible no se consideran baterías es porque originalmente (en el siglo XIX) surgieron como un medio para producir electricidad directamente a partir de combustibles (y aire) mediante un proceso electroquímico sin combustión. Posteriormente, particularmente en las décadas de 1960 y 1990, las celdas de combustible recargables (es decir, H2 /O2 , como las pilas de combustible regenerativas unitarias delprototipo Heliosde laNASA) fueron desarrolladas.

La química Cr–Fe tiene desventajas, incluyendo la isomería de hidratos (es decir, el equilibrio entre los complejos de cloro Cr3+ electroquímicamente activos y el complejo hexa-aqua inactivo y la evolución de hidrógeno en el electrodo negativo). La isomería de hidratos puede aliviarse añadiendo ligandos amino quelantes, mientras que la evolución de hidrógeno puede mitigarse añadiendo sales de Pb para aumentar el sobrevoltaje de H2 y sales de Au para catalizar la reacción del electrodo de cromo. [ 28 ]

Las químicas tradicionales de baterías de flujo redox incluyen hierro-cromo, vanadio, polisulfuro-bromuro (Regenesys) y uranio . [ 29 ] Las pilas de combustible redox son menos comunes comercialmente, aunque se han propuesto muchas. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

Vanadio

Las baterías de flujo redox de vanadio son las líderes comerciales. Utilizan vanadio en ambos electrodos, por lo que no sufren contaminación cruzada. La solubilidad limitada de las sales de vanadio contrarresta en cierta medida esta ventaja en la práctica. Las ventajas de esta química incluyen cuatro estados de oxidación dentro de la ventana de voltaje electroquímico de la interfaz grafito-ácido acuoso, y por lo tanto, la eliminación de la dilución de mezcla, perjudicial en las baterías de flujo redox de Cr-Fe. Más importante aún para el éxito comercial es la coincidencia casi perfecta de la ventana de voltaje de la interfaz carbono/ácido acuoso con la de los pares redox de vanadio. Esto extiende la vida útil de los electrodos de carbono de bajo costo y reduce el impacto de las reacciones secundarias, como las evoluciones de H2 y O2, lo que resulta en una durabilidad de muchos años y muchos ciclos de vida (15.000-20.000), lo que a su vez resulta en un costo nivelado de energía (LCOE, costo del sistema dividido por la energía utilizable, vida útil y eficiencia de ida y vuelta ) históricamente bajo. Estas largas vidas útiles permiten la amortización de su costo de capital relativamente alto (impulsado por el vanadio, los fieltros de carbono, las placas bipolares y las membranas). El LCOE es del orden de unas pocas decenas de centavos por kWh, mucho menor que el de las baterías de estado sólido y cercano a los objetivos de 5 centavos establecidos por las agencias gubernamentales de EE. UU. y la CE. [ 34 ] Los principales desafíos incluyen: la baja abundancia y los altos costos del V 2 O 5 (> $30 / Kg); reacciones parásitas que incluyen la evolución de hidrógeno y oxígeno; y precipitación de V 2 O 5 durante el ciclo.

Híbrido

La batería de flujo híbrida (HFB) utiliza uno o más componentes electroactivos depositados como una capa sólida. [ 35 ] La principal desventaja es que esto reduce la energía y la potencia desacopladas. La celda contiene un electrodo de batería y un electrodo de celda de combustible. Este tipo está limitado en energía por el área de la superficie del electrodo.

Las HFB incluyen baterías de flujo de zinc-bromo , zinc-cerio , [ 36 ] plomo-ácido solubles , [ 37 ] y de hierro puro . Weng et al. informaron sobre una batería de flujo híbrida de vanadio- hidruro metálico con un OCV experimental de 1,93 V y un voltaje de operación de 1,70 V, valores relativamente altos. Consiste en un electrodo positivo de fieltro de grafito que opera en una solución mixta de VOSO4 yH2 SO4 , y un electrodo negativo de hidruro metálico ende KOH. Los dos electrolitos de diferente pH están separados por una membrana bipolar. El sistema demostró buena reversibilidad y altas eficiencias en culombios (95%), energía (84%) y voltaje (88%). Informaron mejoras con mayor densidad de corriente, inclusión de electrodos más grandes de 100cm² yoperación en serie. Datos preliminares utilizando una entrada de potencia simulada fluctuante probaron la viabilidad hacia el almacenamiento a escala de kWh. [ 38 ] En 2016, se propuso una batería de flujo híbrida de Mn(VI)/Mn(VII)-Zn de alta densidad de energía. [ 39 ]

Poliyoduro de zinc

Un prototipo de batería de flujo de zinc - poliioduro demostró una densidad de energía de 167  Wh/L. Las celdas de zinc-bromuro más antiguas alcanzan los 70  Wh/L. En comparación, las baterías de fosfato de hierro y litio almacenan 325  Wh/L. Se afirma que la batería de zinc-poliioduro es más segura que otras baterías de flujo debido a la ausencia de electrolitos ácidos, su no inflamabilidad y un rango de operación de -4 a 122 °F (-20 a 50 °C) que no requiere un circuito de refrigeración extenso, lo que añadiría peso y ocuparía espacio. Un problema sin resolver es la acumulación de zinc en el electrodo negativo que puede permear la membrana, reduciendo la eficiencia. Debido a la formación de dendritas de Zn, las baterías de haluro de Zn no pueden operar a alta densidad de corriente (> 20 mA/cm² ) y, por lo tanto, tienen una densidad de potencia limitada. Agregar alcohol al electrolito de la batería de ZnI puede ayudar. [ 40 ] Los inconvenientes de las baterías de flujo redox Zn/I son el alto costo de las sales de yoduro (> $20 / Kg); la capacidad limitada del área de deposición de Zn, lo que reduce la energía y la potencia desacopladas; y la formación de dendritas de Zn.   

Cuando la batería está completamente descargada, ambos tanques contienen la misma solución electrolítica: una mezcla de iones de zinc con carga positiva ( Zn 2+) y el ion yoduro con carga negativa, ( I −). Cuando se carga, un tanque contiene otro ion negativo, poliioduro, ( I − 3 ). La batería produce energía bombeando líquido a través de la pila donde los líquidos se mezclan. Dentro de la pila, los iones de zinc pasan a través de una membrana selectiva y se transforman en zinc metálico en el lado negativo de la pila. [ 41 ] Para aumentar la densidad de energía, los iones bromuro ( Br– ) se utilizan como agente complejante para estabilizar el yodo libre, formando iones yodo-bromuro (I2 Br −) como medio para liberar iones de yoduro para el almacenamiento de carga. [ 42 ]

flujo de protones

Las baterías de flujo de protones (PFB) integran un electrodo de almacenamiento de hidruro metálico en una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) reversible. Durante la carga, la PFB combina iones de hidrógeno producidos por la disociación del agua con electrones y partículas metálicas en un electrodo de la celda de combustible. La energía se almacena en forma de un sólido de hidruro metálico. La descarga produce electricidad y agua cuando el proceso se invierte y los protones se combinan con el oxígeno ambiental. Se pueden utilizar metales menos costosos que el litio, que proporcionan una mayor densidad de energía que las celdas de litio. [ 43 ] [ 44 ]

Orgánico

En comparación con las baterías de flujo redox inorgánicas, como las de vanadio y Zn-Br₂ , la ventaja de las baterías de flujo redox orgánicas radica en las propiedades redox ajustables de sus componentes activos. Hasta 2021, las baterías de flujo redox orgánicas presentaban una baja durabilidad (es decir, vida útil en términos de calendario o ciclos, o ambos) y no se habían probado a escala comercial. [ 14 ]

Las baterías de flujo redox orgánicas se pueden clasificar además en acuosas (AORFB) y no acuosas (NAORFB). [ 45 ] [ 46 ] Las AORFB usan agua como disolvente para los materiales del electrolito, mientras que las NAORFB emplean disolventes orgánicos. Las AORFB y las NAORFB se pueden dividir además en sistemas totales e híbridos. Los primeros usan solo materiales de electrodo orgánicos, mientras que los segundos usan materiales inorgánicos para el ánodo o el cátodo. En el almacenamiento de energía a gran escala, el menor costo del disolvente y la mayor conductividad dan a las AORFB un mayor potencial comercial, además de ofrecer las ventajas de seguridad de los electrolitos a base de agua. Las NAORFB en cambio proporcionan una ventana de voltaje mucho más grande y ocupan menos espacio.

AORFB de pH neutro

Las baterías de flujo redox orgánicas (AORFB) de pH neutro operan a pH 7, utilizando típicamente NaCl como electrolito de soporte. En condiciones de pH neutro, las moléculas orgánicas y organometálicas son más estables que en condiciones ácidas y alcalinas corrosivas. Por ejemplo, el K4[Fe(CN)6], un catolito común utilizado en las AORFB, no es estable en soluciones alcalinas, pero sí en condiciones de pH neutro. [ 47 ]

Las AORFB utilizaron metil viógeno como anolito y 4-hidroxi-2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oxilo como catolito en condiciones de pH neutro, además de NaCl y una membrana de intercambio aniónico de bajo costo. Este sistema MV/TEMPO tiene el voltaje de celda más alto, 1,25  V, y, posiblemente, el costo de capital más bajo ($180/kWh) reportado para AORFB hasta 2015. Los electrolitos líquidos acuosos fueron diseñados como un reemplazo directo sin reemplazar la infraestructura. Una batería de prueba de 600 milivatios fue estable durante 100 ciclos con una eficiencia cercana al 100 por ciento a densidades de corriente que oscilan entre 20 a 100 mA/cm 2 , con un rendimiento óptimo clasificado a 40–50  mA, en el cual se retuvo aproximadamente el 70% del voltaje original de la batería. [ 48 ] [ 49 ] Las AORFB neutras pueden ser más respetuosas con el medio ambiente que las alternativas ácidas o alcalinas, al tiempo que muestran un rendimiento electroquímico comparable al de las RFB corrosivas. La AORFB MV/TEMPO tiene una densidad de energía de 8,4  Wh/L con la limitación en el lado del TEMPO. En 2019, se informó que las baterías de flujo basadas en viológeno que utilizan una AORFB de sulfonato -viológeno/ ferrocianuro ultraligera eran estables durante 1000 ciclos a una densidad de energía de 10 Wh/L, la AORFB más estable y densa en energía hasta la fecha. [ 50 ]

AORFB ácidos

Las quinonas y sus derivados son la base de muchos sistemas redox orgánicos. [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] En un estudio, se emplearon ácido 1,2-dihidrobenzoquinona-3,5-disulfónico (BQDS) y ácido 1,4-dihidrobenzoquinona-2-sulfónico (BQS) como cátodos, y Pb/ PbSO 4 convencional fue el anolito en una AORFB ácida híbrida. Las quinonas aceptan dos unidades de carga eléctrica, en comparación con una en el catolito convencional, lo que implica el doble de energía en un volumen dado.

Se evaluó otra quinona, el ácido 9,10-antraquinona-2,7-disulfónico (AQDS). [ 54 ] El AQDS experimenta una reducción rápida y reversible de dos electrones/dos protones en un electrodo de carbono vítreo en ácido sulfúrico . Una batería de flujo acuosa con electrodos de carbono económicos, que combina el par quinona/hidroquinona con el Br2 /Br −El par redox produce una densidad de potencia galvánica máxima que supera los 6000  W/m² a 13000  A/m² . El ciclado mostró  una retención de capacidad de almacenamiento > 99 % por ciclo. La densidad de energía volumétrica fue superior a 20  Wh/L. [ 55 ] El ácido antraquinona-2-sulfónico y el ácido antraquinona-2,6-disulfónico en el lado negativo y el ácido 1,2-dihidrobenzoquinona-3,5-disulfónico en el lado positivo evitan el uso de Br₂ peligroso . Se afirmó que la batería duraba 1000 ciclos sin degradación. [ 56 ] Tiene un voltaje de celda bajo (aprox. 0,55  V) y una densidad de energía baja (< 4  Wh/L).

Sustituir el ácido bromhídrico por una solución alcalina menos tóxica (1  M KOH ) y ferrocianuro [ 57 ] resultó menos corrosivo, lo que permitió el uso de tanques de polímero económicos . El aumento de la resistencia eléctrica en la membrana se compensó con un aumento del voltaje a 1,2  V. [ 58 ] [ 59 ] La eficiencia de la celda superó el 99%, mientras que la eficiencia de ida y vuelta se midió en un 84%. La batería ofreció una vida útil esperada de al menos 1000 ciclos. Su densidad de energía teórica fue de 19  Wh/L. [ 60 ] No se verificó la estabilidad química del ferrocianuro en una solución de KOH de alto pH.

La integración del anolito y el catolito en la misma molécula, es decir, analitos bifuncionales [ 61 ] o moléculas combinadas [ 62 ], permite utilizar el mismo material en ambos tanques. En un tanque actúa como donador de electrones, mientras que en el otro actúa como receptor de electrones. Esto presenta ventajas como la disminución de los efectos de cruce. [ 63 ] Por lo tanto, las moléculas de quinona diaminoantraquinona [ 63 ] y basadas en índigo [ 61 ] , así como TEMPO/ fenazina [ 62 ], son electrolitos potenciales para este tipo de baterías de flujo redox simétricas (SRFB).

Otro enfoque adoptó un radical de Blatter como donante/receptor. Soportó 275 ciclos de carga y descarga en las pruebas, aunque no era soluble en agua. [ 64 ]

Alcalino

Las moléculas de quinona y fluorenona pueden ser rediseñadas para aumentar la solubilidad en agua. En 2021, una celda de demostración de (des)hidrogenación de cetona reversible operó continuamente durante 120 días a lo largo de 1111 ciclos de carga a temperatura ambiente sin un catalizador, reteniendo el 97 % de la capacidad. La celda ofreció más del doble de la densidad de energía de los sistemas basados ​​en vanadio. [ 65 ] [ 66 ] El principal desafío fue la falta de un catolito estable, que mantuviera las densidades de energía por debajo de 5 Wh/L. Las AORFB alcalinas utilizan un exceso de catolito de ferrocianuro de potasio debido al problema de estabilidad del ferrocianuro en soluciones alcalinas.

Las baterías de flujo metalorgánicas utilizan ligandos orgánicos para mejorar las propiedades redox. Estos ligandos pueden ser quelatos como el EDTA y permiten que el electrolito se encuentre en condiciones neutras o alcalinas, bajo las cuales, de otro modo, precipitarían complejos acuosos metálicos . Al bloquear la coordinación del agua con el metal, los ligandos orgánicos pueden inhibir las reacciones de disociación del agua catalizadas por el metal , lo que resulta en sistemas acuosos de mayor voltaje. Por ejemplo, el uso de cromo coordinado con 1,3-propanodiaminotetraacetato (PDTA) proporcionó potenciales de celda de 1,62 V frente al ferrocianuro y un récord de 2,13 V frente al bromo . [ 67 ] Las baterías de flujo metalorgánicas también se conocen como baterías de flujo de química de coordinación, como la tecnología Gridstar Flow de Lockheed Martin . [ 68 ]

Oligómero

Se propusieron especies redox de oligómeros para reducir la permeación, permitiendo al mismo tiempo el uso de membranas de bajo costo. Estos oligómeros redox-activos se conocen como redoximeros. Un sistema utiliza polímeros orgánicos y una solución salina con una membrana de celulosa . Un prototipo soportó 10 000 ciclos de carga manteniendo una capacidad sustancial. La densidad de energía fue de 10 Wh/L. [ 69 ] La densidad de corriente alcanzó 1 amperio/ cm² . [ 70 ]

Otro RFB de oligómero empleó redoxómeros de viológeno y TEMPO en combinación con membranas de diálisis de bajo costo . Las macromoléculas funcionalizadas (similares al vidrio acrílico o al poliestireno expandido ) disueltas en agua fueron el material activo del electrodo. La membrana nanoporosa selectiva por tamaño funcionó como un colador y se produce mucho más fácilmente y a menor costo que las membranas selectivas de iones convencionales. Bloquea las grandes moléculas de polímero tipo "espagueti", mientras permite el paso de pequeños contraiones. [ 71 ] El concepto puede resolver el alto costo de la membrana Nafion tradicional . Los RFB con especies redox de oligómero no han demostrado una potencia específica de área competitiva. La baja densidad de corriente de operación puede ser una característica intrínseca de las grandes moléculas redox.

Otros tipos

Otros tipos de baterías de flujo incluyen la batería de zinc-cerio , la batería de zinc-bromo y la batería de hidrógeno-bromo .

Sin membrana

Una batería sin membrana [ 72 ] se basa en un flujo laminar en el que dos líquidos se bombean a través de un canal, donde experimentan reacciones electroquímicas para almacenar o liberar energía. Las soluciones fluyen en paralelo, con poca mezcla. El flujo separa los líquidos de forma natural, sin necesidad de una membrana. [ 73 ]

Las membranas suelen ser los componentes más costosos y menos fiables de las baterías, ya que son susceptibles a la corrosión por la exposición repetida a ciertos reactivos. La ausencia de membrana permite el uso de una solución líquida de bromo e hidrógeno: esta combinación es problemática cuando se utilizan membranas, porque forman ácido bromhídrico que puede destruir la membrana. Ambos materiales están disponibles a bajo costo. [ 74 ] El diseño utiliza un pequeño canal entre dos electrodos. El bromo líquido fluye a través del canal sobre un cátodo de grafito y el ácido bromhídrico fluye bajo un ánodo poroso. Al mismo tiempo, el gas hidrógeno fluye a través del ánodo. La reacción química se puede invertir para recargar la batería, una primicia para un diseño sin membrana. [ 74 ] Una de estas baterías de flujo sin membrana, anunciada en agosto de 2013, produjo una densidad de potencia máxima de 0,795  W/cm² , tres veces más que otros sistemas sin membrana, y un orden de magnitud superior a las baterías de iones de litio. [ 74 ]

En 2018, se demostró una batería de flujo redox (RFB) macroscópica sin membrana capaz de recargar y recircular los flujos de electrolito. La batería se basaba en un catolito orgánico inmiscible y un anolito acuoso, que exhibió una alta retención de capacidad y eficiencia coulómbica durante el ciclado. [ 75 ]

Basado en suspensión

Un sistema de litio-azufre dispuesto en una red de nanopartículas elimina la necesidad de que la carga entre y salga de partículas en contacto directo con una placa conductora. En cambio, la red de nanopartículas permite que la electricidad fluya por todo el líquido, lo que posibilita la extracción de mayor energía. [ 76 ]

En una batería de flujo semisólida , las partículas de los electrodos positivo y negativo se suspenden en un líquido portador. Las suspensiones fluyen a través de una serie de cámaras de reacción, separadas por una barrera como una membrana delgada y porosa. Este enfoque combina la estructura básica de las baterías de flujo acuosas, que utilizan material de electrodo suspendido en un electrolito líquido, con la química de las baterías de iones de litio, tanto en suspensiones libres de carbono como en lodos con una red de carbono conductora. [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] La batería de flujo redox semisólida libre de carbono también se conoce como batería de flujo redox de dispersión sólida . [ 80 ] Disolver un material cambia significativamente su comportamiento químico. Sin embargo, suspender fragmentos de material sólido conserva las características del sólido. El resultado es una suspensión viscosa. [ 81 ]

En 2022, Influit Energy anunció un electrolito para baterías de flujo que consiste en un óxido metálico suspendido en una solución acuosa. [ 82 ] [ 83 ]

Las baterías de flujo con sólidos dirigidos a la reacción redox (ROTS), también conocidos como potenciadores de energía sólidos (SEB) [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] ya sea el posolito o el negolito o ambos (también conocidos como fluidos redox), entran en contacto con uno o más materiales electroactivos sólidos (SEM). Los fluidos comprenden uno o más pares redox, con potenciales redox que flanquean el potencial redox del SEM. Estas SEB/RFB combinan la ventaja de alta energía específica de las baterías convencionales (como las de iones de litio ) con la ventaja de energía-potencia desacoplada de las baterías de flujo. Las SEB(ROTS) RFB tienen ventajas en comparación con las RFB semisólidas, tales como no es necesario bombear lodos viscosos, no hay precipitación/obstrucción, mayor potencia específica de área, mayor durabilidad y un espacio de diseño químico más amplio. Sin embargo, debido a las pérdidas de energía dobles (una en la pila y otra en el tanque entre el SEB(ROTS) y un mediador), estas baterías presentan una baja eficiencia energética. A nivel de sistema, la energía específica práctica de las baterías de iones de litio tradicionales es mayor que la de las versiones de baterías de iones de litio con flujo SEB(ROTS). [ 91 ]

Comparación

Aplicaciones

Las ventajas técnicas hacen que las baterías de flujo redox sean idóneas para el almacenamiento de energía a gran escala. Normalmente, se consideran para aplicaciones estacionarias relativamente grandes (1  kWh – 10  MWh) con ciclos de carga y descarga de varias horas. [ 94 ] Las baterías de flujo no son rentables para tiempos de carga/descarga más cortos. Los nichos de mercado incluyen:

  • Almacenamiento en red : almacenamiento de energía a corto y/o largo plazo para su uso por la red eléctrica.
    • Balanceo de carga : la batería se conecta a la red para almacenar energía durante las horas de menor demanda y liberarla durante los períodos de máxima demanda. El principal problema que limita este uso de la mayoría de las baterías de flujo es su baja densidad de corriente (potencia superficial), lo que se traduce en un alto costo.
    • Desplazar la energía de fuentes intermitentes como la eólica o la solar para usarla durante los períodos de máxima demanda. [ 95 ]
    • Reducción de picos de demanda, donde la batería satisface los picos de demanda. [ 96 ]
  • Sistemas de alimentación ininterrumpida , donde la batería se utiliza si se interrumpe el suministro eléctrico principal.
  • Conversión de potencia : Dado que todas las celdas comparten el mismo electrolito, este puede cargarse con un número determinado de celdas y descargarse con otro diferente. Como el voltaje de la batería es proporcional al número de celdas utilizadas, la batería puede funcionar como un potente convertidor CC-CC . Además, si el número de celdas se modifica continuamente (en la entrada y/o la salida), la conversión de potencia también puede ser CA/CC, CA/CA o CC-CA, con una frecuencia limitada por la del interruptor. [ 97 ]
  • Vehículos eléctricos : Debido a que las baterías de flujo se pueden "recargar" rápidamente reemplazando el electrolito, se pueden usar en aplicaciones donde el vehículo necesita obtener energía tan rápido como un vehículo de gasolina. [ 98 ] [ 99 ] Un problema común con la mayoría de las químicas de RFB en aplicaciones de vehículos eléctricos es su baja densidad de energía, lo que se traduce en una autonomía corta. Las baterías de zinc-cloro [ 100 ] y las baterías con halatos altamente solubles son una excepción notable. [ 101 ]
  • Sistema de alimentación autónomo : Un ejemplo de esto se encuentra en las estaciones base de telefonía celular donde no hay acceso a la red eléctrica. La batería se puede usar junto con fuentes de energía solar o eólica para compensar sus fluctuaciones de potencia y junto con un generador para ahorrar combustible. [ 102 ] [ 103 ]

Véase también

Referencias

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  • Investigación sobre la batería de flujo redox de uranio
  • Cómo funcionan las baterías de flujo ( en YouTube)
  • Proyecto de baterías de flujo de Australia Meridional