¿Cómo se almacena la energía renovable para que esté ahí cuando la necesite? incluso cuando el sol no brilla o el viento no sopla? Baterías gigantes diseñadas para la red eléctrica, llamadas baterías de flujo, que almacenan electricidad en tanques de electrolito líquido, podría ser la respuesta, pero hasta ahora las empresas de servicios públicos aún tienen que encontrar una batería rentable que pueda alimentar de manera confiable a miles de hogares a lo largo de un ciclo de vida de 10 a 20 años.

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

Como se informó en la revista de Joule , Los investigadores desarrollaron una membrana de batería versátil pero asequible, a partir de una clase de polímeros conocidos como AquaPIM. Esta clase de polímeros hace posibles baterías de red de larga duración y bajo costo basadas únicamente en materiales fácilmente disponibles como zinc, planchar, y agua. El equipo también desarrolló un modelo simple que muestra cómo las diferentes membranas de la batería afectan la vida útil de la batería, que se espera que acelere la I + D en las primeras etapas de las tecnologías de baterías de flujo, particularmente en la búsqueda de una membrana adecuada para diferentes químicas de baterías.

"Nuestra tecnología de membrana AquaPIM está bien posicionada para acelerar el camino hacia el mercado de baterías de flujo que usan escalables, bajo costo, químicas a base de agua, "dijo Brett Helms, investigador principal del 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 la 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 tanto a los investigadores como a los desarrolladores de productos ".

La mayoría de los productos químicos de las baterías de rejilla tienen electrodos altamente alcalinos (o básicos):un cátodo cargado positivamente en un lado, y un ánodo cargado negativamente en el otro lado. Pero las membranas de vanguardia actuales están diseñadas para químicas ácidas, como las membranas fluoradas que se encuentran en las pilas de combustible, pero no para baterías de flujo alcalino. (En Quimica, 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 neutra. Las soluciones ácidas tienen una alta concentración de iones de hidrógeno, y se describen como de pH bajo, o un pH por debajo de 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 pilas alcalinas, el pH puede ser tan alto como 14 o 15.)

Las membranas de polímero fluorado 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 polímero fluorado y proponer una alternativa de alto rendimiento pero más barata, como las AquaPIM. dijo Miranda Baran, estudiante de posgrado investigador del grupo de investigación de Helms y autor principal del estudio. Baran también es un Ph.D. estudiante del Departamento de Química de UC Berkeley.

Volviendo a lo básico

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

A través de estos primeros experimentos, Los investigadores descubrieron que las membranas modificadas con una sustancia química exótica llamada "amidoxima" permitían que los iones viajaran rápidamente entre el ánodo y el cátodo.

Más tarde, mientras se evalúa el rendimiento y la compatibilidad de la membrana AquaPIM con diferentes químicas de la batería de la red, por ejemplo, una configuración experimental utilizó zinc como ánodo y un compuesto a base de hierro como cátodo; los investigadores descubrieron que las membranas AquaPIM producen células alcalinas notablemente estables.

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

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

Tal estabilidad evitó que los poros de la membrana AquaPIM colapsaran, lo que les permite permanecer conductivos sin ninguna pérdida de rendimiento con el tiempo, mientras que los poros de una membrana comercial de polímero fluorado colapsaron como se esperaba, en detrimento de sus propiedades de transporte de iones, Helms explicó.

Este comportamiento fue corroborado aún más con estudios teóricos de Artem Baskin, un investigador postdoctoral que trabaja con David Prendergast, quien es el director interino de Molecular Foundry de Berkeley Lab e 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 Energética (NERSC) de Berkeley Lab y descubrió que la estructura de los polímeros que componen la membrana eran significativamente resistentes al colapso de los poros en condiciones muy básicas en electrolitos alcalinos.

Una prueba de pantalla para mejores baterías

Al evaluar el rendimiento y la compatibilidad de la membrana AquaPIM con diferentes químicas de la batería de la red, los investigadores desarrollaron un modelo que vinculaba el rendimiento de la batería al 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 demostraron que se podrían aplicar modelos similares a otras químicas de baterías y sus membranas.

"Típicamente, tendría que esperar semanas, si no meses, para saber cuánto durará una batería después de ensamblar la celda completa. Mediante el uso de una pantalla de membrana simple y rápida, podría reducirlo a unas pocas horas o días, "Dijo Helms.

A continuación, los investigadores planean aplicar membranas AquaPIM en un ámbito más amplio de químicas de baterías de flujo acuoso. desde metales e inorgánicos hasta orgánicos y polímeros. También anticipan que estas membranas son compatibles con otras baterías alcalinas acuosas de zinc, incluidas las baterías que utilizan oxígeno, óxido de manganeso, o armazones organometálicos como el cátodo.

Investigadores de Berkeley Lab, UC Berkeley, Instituto de Tecnología de Massachusetts, y el Istituto Italiano di Tecnologia participaron en el estudio.