¿Cómo se almacena la energía renovable para que esté allí cuando la necesite, incluso cuando el sol no brilla o el viento no sopla? Las baterías gigantes diseñadas para la red eléctrica, llamadas baterías de flujo, que almacenan electricidad en tanques de electrolito líquido, podrían ser la respuesta, pero hasta ahora las empresas de servicios públicos aún no han encontrado una batería rentable que pueda alimentar de manera confiable miles de hogares en todo el país. Ciclo de vida de 10 a 20 años.

Ahora, una tecnología de membrana de batería desarrollada por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los EE. UU. (Berkeley Lab) puede apuntar a una solución.

Como se informó en el diario de Joule, los investigadores desarrollaron una membrana de batería versátil pero asequible, de una clase de polímeros conocidos como AquaPIM. Esta clase de polímeros hace posible baterías de red duraderas y de bajo costo basadas únicamente en materiales fácilmente disponibles como zinc, hierro y agua. El equipo también desarrolló un modelo simple que muestra cómo las diferentes membranas de la batería impactan la vida útil de la batería, lo que se espera que acelere la I + D en las primeras etapas de las tecnologías de batería de flujo, particularmente en la búsqueda de una membrana adecuada para las diferentes químicas de la batería.

"Nuestra tecnología de membrana AquaPIM está bien posicionada para acelerar el camino hacia el mercado de baterías de flujo que utilizan productos químicos escalables, de bajo costo y a base de agua", dijo Brett Helms, investigador principal en el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR) y científico del personal de la fundición molecular de Berkeley Lab que dirigió el estudio. "Al utilizar nuestra tecnología y los modelos empíricos que lo acompañan para el rendimiento y la vida útil de la batería, otros investigadores podrán evaluar rápidamente la preparación de cada componente que entra en la batería, desde la membrana hasta los materiales de almacenamiento de carga. Esto debería ahorrar tiempo y recursos para investigadores y desarrolladores de productos por igual ".

La mayoría de las químicas de la batería de la red tienen electrodos altamente alcalinos (o básicos): un cátodo con carga positiva en un lado y un ánodo con carga negativa en el otro lado. Pero las membranas actuales de última generación están diseñadas para productos químicos ácidos, como las membranas fluoradas que se encuentran en las celdas de combustible, pero no para baterías de flujo alcalino. (En química, el pH es una medida de la concentración de iones de hidrógeno de una solución. El agua pura tiene un pH de 7 y se considera neutral. Las soluciones ácidas tienen una alta concentración de iones de hidrógeno, y se describe que tienen un pH bajo, o un pH inferior a 7. Por otro lado, las soluciones alcalinas tienen bajas concentraciones de iones de hidrógeno y, por lo tanto, tienen un pH alto o un pH superior a 7. En las baterías alcalinas, el pH puede ser tan alto como 14 o 15.)

Las membranas de polímeros fluorados también son caras. Según Helms, pueden representar del 15% al ​​20% del costo de la batería, que puede funcionar en el rango de $ 300 / kWh.

Una forma de reducir el costo de las baterías de flujo es eliminar por completo las membranas de polímeros fluorados y encontrar una alternativa más económica pero de alto rendimiento como AquaPIM, dijo Miranda Baran, investigadora de posgrado en el grupo de investigación de Helms y líder del estudio. autor. Baran también es Ph.D. estudiante en el Departamento de Química de UC Berkeley.

Volviendo a lo básico

Helms y coautores descubrieron la tecnología AquaPIM, que significa "polímeros acuosos de microporosidad intrínseca", mientras desarrollaban membranas poliméricas para sistemas alcalinos (o básicos) acuosos como parte de una colaboración con el coautor Yet-Ming Chiang , investigador principal en JCESR y profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Kyocera en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT).

A través de estos primeros experimentos, los investigadores descubrieron que las membranas modificadas con un químico exótico llamado "amidoxima" permitían que los iones viajaran rápidamente entre el ánodo y el cátodo.

Más tarde, al evaluar el rendimiento de la membrana AquaPIM y la compatibilidad con diferentes químicas de baterías de rejilla, por ejemplo, una configuración experimental utilizó zinc como el ánodo y un compuesto a base de hierro como el cátodo, los investigadores descubrieron que las membranas AquaPIM conducen a células alcalinas notablemente estables .

Además, descubrieron que los prototipos AquaPIM conservaban la integridad de los materiales de almacenamiento de carga en el cátodo y en el ánodo. Cuando los investigadores caracterizaron las membranas en la Fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, descubrieron que estas características eran universales en todas las variantes de AquaPIM.

Baran y sus colaboradores probaron cómo funcionaría una membrana AquaPIM con un electrolito alcalino acuoso. En este experimento, descubrieron que, en condiciones alcalinas, las amidoxima unidas a polímeros son estables, un resultado sorprendente teniendo en cuenta que los materiales orgánicos no suelen ser estables a un pH alto.

Tal estabilidad evitó el colapso de los poros de la membrana AquaPIM, lo que les permitió mantenerse conductivos sin pérdida de rendimiento con el tiempo, mientras que los poros de una membrana comercial de fluoropolímero colapsaron como se esperaba, en detrimento de sus propiedades de transporte de iones, explicó Helms.

Este comportamiento fue corroborado con estudios teóricos por Artem Baskin, un investigador postdoctoral que trabaja con David Prendergast, quien es el director interino de la Fundición molecular de Berkeley Lab y un investigador principal en JCESR junto con Chiang y Helms.

Baskin simuló estructuras de membranas AquaPIM utilizando recursos computacionales en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía de Berkeley (NERSC) y descubrió que la estructura de los polímeros que componen la membrana eran significativamente resistentes al colapso de poros en condiciones altamente básicas en electrolitos alcalinos.

Una prueba de pantalla para mejores baterías

Mientras evaluaban el rendimiento de la membrana AquaPIM y la compatibilidad con las diferentes químicas de la batería de la red, los investigadores desarrollaron un modelo que vinculaba el rendimiento de la batería con el rendimiento de varias membranas. Este modelo podría predecir la vida útil y la eficiencia de una batería de flujo sin tener que construir un dispositivo completo. También mostraron que modelos similares podrían aplicarse a otras químicas de baterías y sus membranas.

"Por lo general, tendrías que esperar semanas, si no meses, para calcular cuánto durará una batería después de ensamblar toda la celda. Al usar una pantalla de membrana simple y rápida, podrías reducirlo a unas pocas horas o días". Helms dijo.

Luego, los investigadores planean aplicar membranas AquaPIM a través de una gama más amplia de productos químicos de baterías de flujo acuoso, desde metales e inorgánicos hasta orgánicos y polímeros. También anticipan que estas membranas son compatibles con otras baterías acuosas de zinc alcalino, incluidas las baterías que usan oxígeno, óxido de manganeso o estructuras metálicas orgánicas como el cátodo.

Investigadores de Berkeley Lab, UC Berkeley, Massachusetts Institute of Technology e Istituto Italiano di Tecnologia participaron en el estudio.

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