Un bajo costo, La química de baterías de alto rendimiento desarrollada por investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder podría algún día conducir a un almacenamiento escalable a nivel de red para energía eólica y solar que podría ayudar a las empresas eléctricas a reducir su dependencia de los combustibles fósiles.

La nueva innovación, descrito hoy en la revista Joule , describe dos baterías de flujo acuoso, también conocidas como baterías de flujo redox, que utilizan cromo y agentes aglutinantes orgánicos para lograr un voltaje excepcional y altas eficiencias. Los componentes son abundantes en la naturaleza, ofreciendo una promesa futura de fabricación rentable.

"Estamos entusiasmados de informar sobre algunas de las químicas de batería de mayor rendimiento hasta ahora, más allá de los límites anteriores, "dijo Michael Marshak, autor principal del estudio y profesor asistente en el Departamento de Química de CU Boulder. "Los materiales son de bajo costo, no tóxico y fácilmente disponible ".

Las fuentes de energía renovable proporcionan una parte creciente de la producción eléctrica de EE. UU., pero actualmente carece de una solución a gran escala para almacenar la energía recolectada y volver a implementarla para satisfacer la demanda durante los períodos en los que el sol no brilla y el viento no sopla.

"Hay desajustes entre la oferta y la demanda en la red energética durante el día, "dijo Marshak, quien también es becario del Instituto de Energías Renovables y Sostenibles (RASEI). "El sol podría satisfacer las necesidades de la red por la mañana, pero la demanda tiende a alcanzar su punto máximo al final de la tarde y continuar hasta la noche después de que se ha puesto el sol. Ahora, las empresas de servicios públicos tienen que llenar ese vacío acelerando rápidamente su producción de carbón y gas natural, como si llevaras un coche de cero a sesenta ".

Aunque los iones de litio pueden proporcionar energía para aplicaciones de menor escala, necesitaría millones de baterías para respaldar incluso una pequeña planta de energía de combustibles fósiles durante una hora, Marshak dice. Pero aunque la química de los iones de litio es eficaz, no es adecuado para cubrir la capacidad de todo un campo de turbinas eólicas o una matriz de paneles solares.

"El problema básico de las baterías de iones de litio es que no escalan muy bien, "Marshak dijo." Cuanto más material sólido agregue, cuanta más resistencia agregue, todos los demás componentes deben aumentar en conjunto. Entonces, en esencia, si quieres el doble de energía, necesita construir el doble de baterías y eso no es rentable cuando se habla de tantos megavatios hora ".

Las baterías de flujo se han identificado como una vía más prometedora. Las baterías acuosas mantienen sus ingredientes activos separados en forma líquida en tanques grandes, permitir que el sistema distribuya la energía de forma gestionada, similar a la forma en que un tanque de gasolina proporciona una combustión constante de combustible al motor de un automóvil cuando presiona el pedal.

Si bien hay algunos ejemplos de baterías de flujo que funcionan de manera constante durante décadas (como en Japón), Han luchado por lograr una amplia presencia en las operaciones comerciales y municipales debido en parte a su tamaño difícil de manejar. altos costos operativos y voltaje comparativamente bajo.

"El tamaño es un problema menor para los sistemas a escala de red, porque simplemente se adjuntaría a una estructura ya grande, Marshak dijo. Lo que importa es el costo, y eso es lo que queríamos mejorar ".

Los investigadores volvieron a lo básico, reexaminar la química de la batería de flujo que se había estudiado hace años, pero abandonado. La clave resultó ser la combinación de aglutinantes orgánicos, o quelatos, con iones de cromo para estabilizar un potente electrolito.

"Algunas personas han adoptado este enfoque antes, pero no había prestado suficiente atención a los agentes aglutinantes, "dijo Brian Robb, autor principal del nuevo estudio y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica (CHBE). "Es necesario adaptar el quelato para el ion metálico e hicimos mucho trabajo para encontrar el adecuado que los uniera firmemente".

Marshak, Robb y el coautor Jason Farrell personalizado quelato conocido como PDTA crean un "escudo" alrededor del electrón de cromo, evitar que el agua obstaculice el reactivo y permitir que una de las celdas de la batería se disperse 2.13 voltios, casi el doble del promedio operativo para una batería de flujo.

PDTA es un derivado de EDTA, un agente ya utilizado en algún jabón de manos, conservantes de alimentos y tratamientos de aguas municipales debido a sus propiedades antibacterianas. El EDTA se considera no tóxico. La química también utiliza la forma benigna de cromo, el mismo tipo utilizado en instrumentos quirúrgicos de acero inoxidable.

"Conseguimos que esto funcionara a un pH relativamente neutro de 9, a diferencia de otras baterías que usan ácido altamente corrosivo con el que es difícil trabajar y difícil de desechar de manera responsable, "Robb dijo." Esto es más parecido al detergente para la ropa ".

"Podrías pedir 15 toneladas de estos materiales mañana si quisieras, porque hay fábricas existentes que ya los producen, "Añadió Marshak.

Marshak and Robb have filed a patent on the innovation with assistance from CU Boulder Venture Partners. They plan to continue optimizing their system, including scaling it up in the lab in order to cycle the battery for even longer periods of time.

"We've solved the problem on a fundamental level, " Marshak said. "Now there are a lot of things we can try in order to keep pushing the performance limit."