La adopción generalizada de energía renovable en la red eléctrica requiere el tipo correcto de batería, una que sea segura, sostenible, poderoso, duradero, y fabricado con materiales abundantes y de origen ético.

Gracias a los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), podemos estar un paso más cerca de hacer realidad esa visión.

En asociación con colegas del Laboratorio Nacional Argonne y el Centro de Investigación de Baterías MEET de la Universidad de Münster en Alemania, Científico de materiales de PNNL e investigador postdoctoral distinguido Linus Pauling, Ismael Rodríguez Pérez, formuló un nuevo tipo de química celular para baterías de iones duales (DIB). La nueva química DIB, llamado grafito || batería de ion dual acuosa de zinc metálico, utiliza un ánodo de zinc y un cátodo de grafito natural en un electrolito acuoso o "agua en bisal".

Usar con éxito un cátodo de grafito en un electrolito acuoso

El uso de electrolitos acuosos no es nuevo, tampoco lo es el uso de grafito. De hecho, Las baterías de iones de litio (Li-ion) utilizan grafito como componente del ánodo, y los DIB no acuosos utilizan grafito como ánodo y cátodo. Lo nuevo es combinar los dos en una nueva química.

Para hacer eso, Rodríguez Pérez y su equipo dieron al electrolito acuoso un impulso adicional mediante el uso de una solución de "agua en bisal" altamente concentrada. La solución amplía la ventana de estabilidad electroquímica del electrolito y habilita el grafito como material de cátodo en un sistema acuoso práctico, algo que antes se pensaba como imposible. Esto ayuda a estabilizar el electrolito a altos voltajes, permitiendo que el grafito se oxide electroquímicamente antes que el electrolito acuoso.

"Es solo una gran mezcla de cosas realmente geniales juntas, ", dijo Rodríguez Pérez." La concentración de iones de sal es tan increíblemente alta, es casi como si el agua ya no estuviera allí. Entonces, el electrolito acuoso no se descompone en voltajes donde normalmente lo haría, permitiendo el uso de grafito. Ese es el resultado más sorprendente de todo esto ".

Rodríguez Pérez se basa en una investigación previa realizada por Kang Xu del Laboratorio de Investigación del Ejército de los Estados Unidos y Chunsheng Wang de la Universidad de Maryland, quien desarrolló por primera vez estos electrolitos acuosos altamente concentrados en 2015.

La batería mostró un rendimiento prometedor durante las pruebas. Aproximadamente de 2,3 a 2,5 voltios, alcanzó uno de los potenciales operativos más altos de cualquier batería acuosa.

"Estamos operando a voltajes más altos que cualquier otra batería acuosa de zinc y también cualquier otra batería acuosa de iones duales, "agregó Rodríguez Pérez.

Rodríguez Pérez y sus colaboradores describieron el nuevo tipo de química de las celdas de batería en el artículo, "Habilitación del grafito natural en baterías de iones dobles de metal Zn de grafito acuoso de alto voltaje, "que se publicó el otoño pasado en Materiales energéticos avanzados .

Baterías más seguras y sostenibles

Pero la nueva química de la celda no solo mejora el rendimiento de la batería, también es mejor para el medio ambiente.

Cátodos hechos de materiales a base de carbono muy abundantes, como el grafito natural, son menos costosos y más sostenibles que los dañinos para el medio ambiente, escaso, y metales caros, como el níquel y el cobalto, utilizado habitualmente en baterías de iones de litio. El uso de un electrolito acuoso también hace que los DIB sean más seguros, ya que no son inflamables en comparación con las baterías de litio comerciales. que utilizan electrolitos no acuosos exclusivamente.

"En la investigación de baterías, estamos tratando de lograr varios resultados que son fundamentales para el crecimiento y la adopción del mercado, ", dijo Rodríguez Pérez." Queremos utilizar más abundantes, menos costoso, y materiales más sostenibles, mientras que lo más importante es aumentar la vida útil de la batería y mantener una densidad de energía moderada ".

"La química celular del grafito || zinc metálico con el electrolito acuoso especialmente diseñado puede presentar ventajas con respecto al costo, sustentabilidad, y seguridad en comparación con las baterías de iones de litio, debido a los materiales utilizados, "explica Tobias Placke, líder de grupo de materiales en MEET Battery Research Center.

En DIB, Tanto el cátodo positivo como el electrodo negativo pueden estar hechos de materiales de bajo costo a base de carbono como el grafito. Esto convierte a los DIB en una solución particularmente prometedora para respaldar la adopción generalizada de fuentes de energía renovables. como la eólica y la solar para la red eléctrica.

Pero hasta ahora el uso de grafito como cátodo se ha visto limitado por la estrecha estabilidad electroquímica del agua, que llega a un límite de 1,23 voltios. La ventana de estabilidad electroquímica es el rango de potencial entre el cual el electrolito no se oxida ni se reduce (descompone), y una varilla de medición importante para la eficacia de un electrolito en contacto con un electrodo. El grafito requeriría una ventana de estabilidad mucho más amplia.

Y eso es exactamente lo que hace esta nueva química celular.

Emocionante potencial para el almacenamiento de energía de la red estacionaria

La mecánica de los DIB es lo que la convierte en una opción especialmente atractiva para la red eléctrica.

Generalmente hablando, cada celda de la batería tiene tres partes principales:un electrodo positivo llamado cátodo, un electrodo negativo llamado ánodo, y un electrolito. En baterías de iones de litio, la energía se genera cuando los iones de litio (iones o cationes cargados positivamente) fluyen desde el cátodo al ánodo y regresan nuevamente en un movimiento de mecedora a través del electrolito. Esto equilibra la carga cuando los electrones fluyen a través de un circuito externo desde el cátodo al ánodo, creando electricidad.

En DIB, tanto los cationes como los aniones (iones cargados negativamente) están activos y se mueven en paralelo desde el electrolito al ánodo y al cátodo, respectivamente, en forma de acordeón; esto permite aplicaciones potencialmente de alta potencia, como supercondensadores, sin dejar de usar energía moderadamente alta, como baterías. Es más, este mecanismo hace que los iones en el electrolito sean activos, permitiendo una mayor optimización de la batería.

Pero aún queda trabajo por hacer. Los DIB todavía funcionan a solo un tercio de la capacidad de las baterías de litio, por lo que no pueden competir, todavía. Las baterías de litio todavía tienen una de las densidades de energía más altas de cualquier sistema comparable, lo que significa que pueden proporcionar una cantidad significativa de energía y seguir siendo pequeños. Esta ventaja es una de las principales razones por las que se utilizan en aplicaciones móviles. como smartphones y coches eléctricos.

Pero Rodríguez Pérez ve una solución a eso:hacer que los DIB sean tres veces más grandes.

"Si podemos lograr un voltaje lo suficientemente alto para la batería, incluso si el rendimiento no está a la par con las baterías de iones de litio, podemos hacer que las baterías de iones duales sean más grandes y convertirlas en un candidato adecuado para aplicaciones de almacenamiento de energía en la red, ", dijo Rodríguez Pérez." Aunque es posible que no pueda usarlo para alimentar su teléfono, su servicio público local puede usarlo para almacenar energía para su hogar, estabilizar la rejilla, y aumentar la confiabilidad ".

Un futuro brillante para las baterías de iones duales

La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada incluyó a las DIB como una de las "Diez Tecnologías Emergentes en Química 2020" para reconocer su potencial para resolver "los principales problemas globales" en el futuro.

Continuar desarrollando la ciencia detrás de las baterías de almacenamiento de energía de la red puede generar nuevos enfoques y nuevas químicas celulares y acercarnos aún más a la adopción generalizada de fuentes de energía renovables para la red eléctrica.

Y eso es precisamente lo que pretenden hacer Rodríguez Pérez y su equipo en la PNNL. El siguiente paso consiste en optimizar el electrolito acuoso de "agua en bisal"; actualmente, la sal utilizada en la química de la celda es más cara que ambos electrodos.

"PNNL está en la planta baja con esta tecnología prometedora, ", dijo Rodríguez Pérez." Hay mucho espacio para la innovación en las baterías de iones duales ".