Batería de zinc-bromo

Tipo de celda electroquímica

Una batería de zinc-bromo es un sistema de batería recargable que utiliza la reacción entre el zinc metálico y el bromo para producir corriente eléctrica , con un electrolito compuesto por una solución acuosa de bromuro de zinc . El zinc se ha utilizado durante mucho tiempo como electrodo negativo de las células primarias . Es un metal ampliamente disponible y relativamente económico. Es bastante estable en contacto con soluciones acuosas neutras y alcalinas. Por esta razón se utiliza hoy en día en primarios alcalinos y de zinc-carbono .

La principal aplicación potencial es el almacenamiento de energía estacionario, ya sea para la red o para sistemas eléctricos domésticos o autónomos . El electrolito acuoso hace que el sistema sea menos propenso a sobrecalentarse e incendiarse en comparación con los sistemas de baterías de iones de litio.

Descripción general

Las baterías de zinc-bromo se pueden dividir en dos grupos: baterías de flujo y baterías sin flujo.

Redflow (Australia) y Primus Power (EE.UU.) se dedican a la comercialización de baterías de flujo, mientras que Gelion (Australia) y EOS Energy Enterprises (EE.UU.) desarrollan y comercializan sistemas sin flujo.

Características

Las baterías de zinc-bromo comparten seis ventajas sobre los sistemas de almacenamiento de iones de litio:

• 100% de profundidad de capacidad de descarga diariamente. ^[3]
• Poca degradación de la capacidad, lo que permite más de 5000 ciclos
• Bajo riesgo de incendio, ya que los electrolitos no son inflamables.
• No hay necesidad de sistemas de refrigeración
• Materiales de batería de bajo costo y fácilmente disponibles
• Fácil reciclaje al final de su vida útil utilizando procesos existentes

Comparten cuatro desventajas:

• Menor densidad de energía
• Menor eficiencia de ida y vuelta (parcialmente compensada por la energía necesaria para hacer funcionar los sistemas de refrigeración).
• Es necesario descargarlo por completo cada pocos días para evitar que se formen dendritas de zinc, que pueden perforar el separador. ^[3]
• Tasas de carga y descarga más bajas

Estas características hacen que las baterías de zinc-bromo no sean adecuadas para muchas aplicaciones móviles (que generalmente requieren altas tasas de carga/descarga y poco peso), pero sí son adecuadas para aplicaciones estacionarias de almacenamiento de energía, como ciclos diarios para respaldar la generación de energía solar , sistemas fuera de la red y carga. cambiando .

Tipos

Fluir

La batería de flujo de zinc-bromo (ZBRFB) es una batería de flujo híbrida. Se almacena una solución de bromuro de zinc en dos tanques. Cuando la batería se carga o descarga, las soluciones (electrolitos) se bombean a través de una pila de reactor de un tanque al otro. Un tanque se utiliza para almacenar el electrolito para reacciones positivas de los electrodos y el otro almacena el negativo. Las densidades de energía oscilan entre 60 y 85 W·h/kg. ^[1]

El electrolito acuoso está compuesto de sal de bromuro de zinc disuelta en agua. Durante la carga, se aplica zinc metálico de la solución electrolítica a las superficies del electrodo negativo (fieltro de carbono en los diseños más antiguos, malla de titanio en los modernos) en las pilas de celdas. El bromuro se convierte en bromo en la superficie del electrodo positivo y se almacena en una fase orgánica químicamente complejada segura ^{[ aclarar ]} . Las células ZBRFB más antiguas utilizaban membranas poliméricas (polímeros microporosos, Nafion , etc.). Los diseños más recientes eliminan la membrana. ^[4] La pila de baterías suele estar hecha de placas bipolares de plástico rellenas de carbono (por ejemplo, 60 celdas) y está encerrada en un contenedor de polietileno de alta densidad (HDPE). La batería puede considerarse como una máquina de galvanoplastia . Durante la carga, el zinc se galvaniza sobre electrodos conductores, mientras se forma bromo. En la descarga, el proceso se invierte: el zinc metálico recubierto en los electrodos negativos se disuelve en el electrolito y está disponible para ser recubierto nuevamente en el siguiente ciclo de carga . Se puede dejar completamente descargado indefinidamente. La autodescarga no ocurre en un estado completamente cargado, cuando la pila se mantiene seca.

Características

Baterías de flujo RedFlow ZBM2 de 10kWh en un laboratorio de pruebas de rendimiento

Además de las ventajas generales de la química, las baterías de flujo de zinc-bromo tienen dos ventajas importantes:

• Son escalables a una gran capacidad de almacenamiento a través de tanques y pilas más grandes.
• Se pueden reparar o sustituir piezas individuales, por ejemplo la bomba, los depósitos o el electrolito.

Las baterías de flujo también tienen desventajas específicas:

• Restablecer: cada 1 a 4 ciclos, se deben cortocircuitar los terminales a través de una derivación de baja impedancia mientras se ejecuta la bomba de electrolito, para eliminar completamente el zinc de las placas de la batería. ^[3]
• Baja potencia real: (<0,2 W/cm ² ) tanto durante la carga como en la descarga, lo que aumenta el coste de la energía. ^{[5] [6] [7]}
• Baja eficiencia de ida y vuelta: 70-80 %, significativamente menor que las baterías de iones de litio, que normalmente alcanzan el 90 % o más.
• Baja densidad de energía:
• Construcción compleja con piezas móviles.

Diseño

Las dos cámaras de electrodos de cada celda suelen estar divididas por una membrana (normalmente una variedad microporosa o de intercambio iónico ). Esto ayuda a evitar que el bromo llegue al electrodo negativo, donde reaccionaría con el zinc y provocaría una autodescarga. Para reducir aún más la autodescarga y reducir la presión de vapor de bromo, se añaden agentes complejantes al electrolito positivo. Estos reaccionan reversiblemente con el bromo para formar un líquido rojo aceitoso y reducir el Br.
₂concentración en el electrolito. ^{[ cita necesaria ]}

Desarrolladores

• Primus Power – Hayward, California, es una empresa estadounidense privada. Sin embargo, en mayo de 2023, no habían tenido instalaciones desde 2015. ^[8] Primus Power afirma tener una eficiencia del 70 % para su unidad de 125 kWh. ^[9]
• RedFlow Limited – Brisbane, Australia, es una empresa que cotiza en bolsa en ASX. Su batería ZBM3 afirmaba suministrar 12 horas de energía continua. ^[10] Afirmaron una " eficiencia energética de pila" CC-CC de hasta el 80% para su batería ZBM3 ^[11] y 42 Wh/kg para la ZBM3, ^[11] una unidad de 10 kWh.
• EnSync (anteriormente ZBB) ^[12] – Menomonee Falls, Wisconsin, EE. UU. (desaparecido). ^[13]

Sin flujo

Las baterías sin flujo no pasan materiales de la batería entre dos tanques.

Desarrolladores

• Gelion: Thomas Maschmeyer de la Universidad de Sydney reemplazó el líquido por un gel . Los iones pueden moverse más rápidamente, lo que reduce el tiempo de carga. El gel es ignífugo. ^[14] En abril de 2016 se lanzó Gelion. La empresa obtuvo una inversión de 11 millones de dólares australianos del grupo británico de energías renovables Armstrong Energy. ^[15] Gelion recaudó más capital con una oferta pública inicial y cotizó en la Bolsa de Valores de Londres AIM el 30 de noviembre de 2021.

Gelion planea comercializar una batería monobloque de 1,2 kWh para uso en aplicaciones comerciales y de red. ^[16]   Gelion afirmó que sus monobloques tendrán ^[16] mayor densidad de energía (120 Wh/kg), mayor eficiencia de ida y vuelta (>87%), sin piezas móviles y escalabilidad de fabricación a capacidad de gigavatios adaptando la batería de plomo-ácido existente. fábricas.

A partir de marzo de 2023 ^[actualizar], Gelion planeaba implementar una prueba de un sistema para Acciona Energía en 2023. ^[17] Gelion anunció un modo de descarga rápida, electrodos de menor costo (para reemplazar el titanio) y mejoras para el manejo y prevención de dendritas. ^[18]

• Cátodo EOS Energy Enterprise: en mayo de 2023, ^[actualizar]EOS había anunciado su batería Eos Z3 y reclamaba una cartera de pedidos de 347 MWh y un total de 2,2 GWh de pedidos vinculantes. ^[19] EOS afirmó que su batería tiene un RTE "a mediados de los 80" (con profundidad de descarga reducida) y una vida útil de 6.000 ciclos/20 años. ^[20]

Electroquímica

La configuración de flujo y sin flujo comparte la misma electroquímica.

En el electrodo negativo, el zinc es la especie electroactiva. Es electropositivo , con un potencial de reducción estándar E ° = −0,76 V vs SHE .

La reacción del electrodo negativo es la disolución/recubrimiento reversible de zinc:

${\displaystyle {\ce {Zn_{(s)}<=>{Zn^{2}+}_{(aq)}+2e^{-}}}}$

En el electrodo positivo, el bromo se reduce reversiblemente a bromuro (con un potencial de reducción estándar de +1,087 V frente a SHE):

${\displaystyle {\ce {{Br2_{(aq)}}+2e^{-}<=>{2Br^{-}}_{(aq)}}}}$

Entonces la reacción celular general es

${\displaystyle {\ce {{Zn_{(s)}}+Br2_{(aq)}<=>{2Br^{-}}_{(aq)}+{Zn^{2}+}_{(aq)}}}}$

La diferencia de potencial medida es de alrededor de 1,67 V por celda (un poco menos que la prevista a partir de los potenciales de reducción estándar). ^{[ cita necesaria ]}

Aplicaciones

Sitios de telecomunicaciones remotos

Es posible lograr importantes ahorros de combustible con generadores diésel en sitios de telecomunicaciones remotos que operan en condiciones de baja carga eléctrica y gran generación instalada mediante el uso de múltiples sistemas en paralelo para maximizar los beneficios y minimizar los inconvenientes de la tecnología. ^[21]

Historia

En diciembre de 2021, Redflow completó una instalación de 2 MWh para Aneargia para respaldar una unidad de cogeneración alimentada por biogás de 2,0 MW y un sistema de control de microrred en California. ^{[22] [23]}

En noviembre de 2021, ^[actualizar]EOS Energy Enterprises había obtenido un pedido de 300 MWh de Pine Gate Renewables, con la instalación prevista para 2022. ^[24]

En febrero de 2022 ^[actualizar], Gelion anunció un acuerdo con Acciona Energy para probar baterías Endure para aplicaciones a escala de red. ^[25]

En junio de 2023, Redflow anunció un acuerdo para suministrar un sistema de 20 MWh para ayudar a alimentar el casino Rolling Hills de California. ^[10]

Ver también

• Ingeniería electroquímica
• Lista de tipos de baterías

Referencias

1. Khor, A.; Leung, P.; Mohamed, señor; Flox, C.; Xu, Q.; An, L.; Testamentos, RGA; Morante, J.R.; Shah, AA (junio de 2018). "Revisión de baterías de flujo híbrido basadas en zinc: de los fundamentos a las aplicaciones". Materiales Hoy Energía . 8 : 80-108. doi :10.1016/j.mtener.2017.12.012. hdl : 10397/77992 . S2CID  117522227.
2. "Pruebas de rendimiento de baterías de flujo de zinc-bromo para sitios de telecomunicaciones remotos" (PDF) . Laboratorios Nacionales Sandia. 2013. pág. 6 . Consultado el 1 de abril de 2015 .
3. Rose y Ferreira, pag. 4.
4. "US20200036046 BATERÍA DE BROMO DE ZINC MONOCÉLULA SIN MEMBRANA SIN FLUJO CON ELECTRODO DE ESPUMA DE CARBONO COMPUESTO QUE ATRAPA BROMO". patentescope.wipo.int .
5. G. P. Corey, Una evaluación del estado del esfuerzo de desarrollo de baterías de zinc-bromo. RedFlowLimited Brisbane, Queensland, Australia, 2011.
6. Nakatsuji-Mather, M.; Saha, conocimientos tradicionales (2012). "Baterías de flujo de zinc-bromo en el suministro de electricidad residencial: dos estudios de caso". Asamblea General de la Sociedad de Energía y Energía IEEE 2012 . págs. 1–8. doi :10.1109/PESGM.2012.6344777. ISBN 978-1-4673-2729-9. S2CID  22810353.
7. Suresh, S.; Kesavan, T.; Munaía, Y.; Arulraj, I.; Dheenadayalan, S.; Ragupatía, P. (2014). "Batería de flujo híbrido de zinc-bromo: efecto de la utilización del zinc y características de rendimiento". Avances de RSC . 4 (71): 37947. Código bibliográfico : 2014RSCAD...437947S. doi :10.1039/C4RA05946H. ISSN  2046-2069.
8. "Poder Primus". primuspower.com . Consultado el 14 de mayo de 2023 .
9. "Poder Primus". primuspower.com . Consultado el 8 de febrero de 2022 .
10. Hanley, Steve (2 de junio de 2023). "Redflow suministrará un sistema de almacenamiento de batería de flujo de 20 MWh en California". CleanTechnica . Consultado el 4 de junio de 2023 .
11. "Batería ZBM3 - Redflow" . Consultado el 13 de junio de 2022 .
12. "ZBB Energy cambia de nombre a EnSync" (Presione soltar).
13. Nick Williams (13 de marzo de 2019). "EnSync Energy tiene la intención de declararse en quiebra y despedir a casi todos los empleados". Diario de negocios de Milwaukee.
14. "CASAS CON CATALIZADOR / BATERÍA". Corporación Australiana de Radiodifusión . 2 de febrero de 2016 . Consultado el 15 de enero de 2017 .
15. "La tecnología australiana de baterías a base de gel atrae una importante financiación del Reino Unido". 13 de abril de 2016 . Consultado el 15 de enero de 2017 .
16. "Presentaciones | Gelion - Energía inspirada" . Consultado el 8 de febrero de 2022 .
17. "Gelion PLC Litio Azufre IP Acq + Desafío de innovación". ADVFN . Consultado el 14 de mayo de 2023 .
18. "Presentaciones". Gelion: energía inspirada . Consultado el 14 de mayo de 2023 .
19. "Eos Energy Enterprises informa los resultados financieros del primer trimestre de 2023". Bloomberg.com . 2023-05-09 . Consultado el 14 de mayo de 2023 .
20. "Tecnología". Empresas de energía Eos . Consultado el 14 de mayo de 2023 .
21. Rosa y Ferreira, pag. 10.
22. "Redflow firma su mayor venta mundial de baterías con Anaergia para suministrar almacenamiento de energía en California". Anaergia . 2021-03-13 . Consultado el 8 de febrero de 2022 .
23. "Redflow completa la instalación de 2 MWh en California - Redflow" . Consultado el 8 de febrero de 2022 .
24. "Eos Energy consigue un pedido de 300 MWh de sistemas de almacenamiento de baterías". Renovablesnow.com . Consultado el 8 de febrero de 2022 .
25. Vorrath, Sophie (2 de febrero de 2022). "Gelion probará sus baterías de bromuro de zinc con un parque solar español". RenovarEconomía . Consultado el 8 de febrero de 2022 .

Otras lecturas

• Complejación de bromo en baterías circulantes de zinc-bromo DJ Eustace, J. Electrochem. Soc. 127(3), 528–32 (1980)
• Manual de baterías, 3ª edición. D. Linden, TB Reddy. 39,1–39,8 (2002)
• Rosa, David M.; Ferreira, Summer R. "Pruebas de rendimiento de baterías de flujo de zinc-bromo para sitios de telecomunicaciones remotos" (PDF) . Laboratorio Nacional Sandia.Actualizar
• Flujo rojo.

enlaces externos

• Baterías de ZnBr en la Asociación de Almacenamiento de Electricidad