La energía solar y eólica están cambiando rápidamente el panorama energético, pero si queremos aprovechar todo el potencial de estas fuentes de energía renovables e intermitentes, necesitaremos baterías seguras y asequibles para almacenarlas.
Como parte de un esfuerzo por superar el desafío a largo plazo del almacenamiento de energía, ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison han desarrollado un aditivo químico soluble en agua que permite un tipo de almacenamiento electroquímico llamado batería de flujo acuoso de bromuro que mejora el rendimiento.
“Las baterías de flujo de agua a base de bromuro son una solución prometedora, pero tienen muchos problemas electroquímicos desagradables. Es por eso que hoy en día no existen productos a base de bromuro que realmente tengan éxito”, dice Patrick Sullivan, quien dirigió la Universidad de Washington. Madison. 2023. “Aun así, nuestra incorporación puede resolver muchos problemas diferentes”.
Sullivan, el estudiante de doctorado Gyohun Choi y Dawei Feng, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en UW-Madison, desarrollaron el suplemento. La investigación fue publicada en la revista Nature el 23 de octubre de 2024..
Actualmente, grandes paquetes de baterías de iones de litio del tamaño de un camión-remolque almacenan energía para la red, pero con limitaciones técnicas. Las baterías de litio plantean problemas de seguridad debido al potencial de incendios y explosiones y a una compleja cadena de suministro internacional.
Sin embargo, las baterías de flujo de agua pueden hacer que el almacenamiento a escala de red sea más seguro y económico. En estas baterías, electrolitos líquidos positivos y negativos circulan sobre electrodos que están separados por una membrana. Debido a que las baterías utilizan iones disueltos en líquido (agua), pueden ser escalables, duraderas y seguras.
La mayoría de las baterías de flujo comercialmente maduras se basan en iones de vanadio que, como el litio, son caros y difíciles de conseguir. Sin embargo, otra versión de estas baterías de flujo se basa en bromuro, un ion barato y ampliamente disponible que funciona como el vanadio, al menos en papel.
En la práctica, sin embargo, los pequeños iones bromuro causan todo tipo de problemas en las baterías de flujo. Pueden atravesar la membrana que separa los electrodos, reduciendo el rendimiento de la batería. A veces los iones se filtran del electrolito y forman un aceite turbio que se “hunde” en el fondo de la solución. Ocasionalmente, los iones también forman gas bromo tóxico. Estos problemas obstaculizan el rendimiento práctico y la confiabilidad.
Un aditivo llamado agente complejante puede ayudar. Choi se propuso encontrar un aditivo que aumentara la eficiencia de la batería de flujo de agua de bromuro. Los investigadores utilizaron el diseño molecular para diseñar más de 500 moléculas orgánicas candidatas a las que llaman “tramperos zwitteriónicos blandos y duros”. Sintetizaron y probaron 13 de estas moléculas representativas como posibles aditivos para baterías de bromuro.
Los aditivos multifuncionales resultantes abordan problemas clave de las baterías de flujo. Esto rodea a los iones bromuro, lo que les permite permanecer solubles en agua y, dado que el complejo resultante ahora es más grande, no pueden atravesar la membrana. Los iones también son “de fase estable”, lo que significa que no se disocian del electrolito de agua ni forman gas bromo tóxico.
Es importante destacar que los aditivos mejoran drásticamente el rendimiento de la batería de flujo, aumentando la eficiencia y la longevidad del sistema químico. “En comparación con nuestros dispositivos sin él, funcionan durante unos dos meses sin pudrirse, mientras que normalmente fallan en un día”, dice Feng. “Eso es importante porque para almacenar energía verde hay que utilizarla durante 10 o 20 años”.
El equipo planea mejorar el trabajo. Choi estudiará la ciencia básica detrás de los aditivos para baterías de flujo de bromuro y yoduro, mientras que Sullivan, director ejecutivo de Flux XII, una empresa derivada de energía renovable que cofundó con Feng, explorará la viabilidad comercial de este aditivo, que ya ha sido producido con éxito en reacciones industriales a escala de toneladas.
Dawei Feng Y. Austin Chang es profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales. Otros autores de UW-Madison incluyen a Xiu-Liang Lv, Wenjie Li, Kwanpyung Lee, Haoyu Kong, Sam Gessler y JR Schmidt.
