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batería de flujo

Batería de flujo redox
Una batería de flujo típica consta de dos tanques de líquidos que se bombean a través de una membrana sujeta entre dos electrodos. [1]

Una batería de flujo , o batería de flujo redox (después de reducción-oxidación ), es un tipo de celda electroquímica donde la energía química es proporcionada por dos componentes químicos disueltos en líquidos que se bombean a través del sistema en lados separados de una membrana. [2] [3] La transferencia de iones dentro de la célula (acompañada de un flujo de corriente a través de un circuito externo) se produce a través de la membrana mientras los líquidos circulan en sus respectivos espacios.

Se han demostrado varias baterías de flujo, incluidas las formas inorgánicas [4] y orgánicas. [5] El diseño de la batería de flujo se puede clasificar además en flujo total, semiflujo y sin membrana.

La diferencia fundamental entre las baterías convencionales y las de flujo es que en las baterías convencionales la energía se almacena en el material del electrodo , mientras que en las baterías de flujo se almacena en el electrolito .

Una batería de flujo se puede usar como una celda de combustible (donde se agregan al sistema nuevo negolito cargado (también conocido como reductor o combustible) y posolito cargado (también conocido como oxidante)) o como una batería recargable (donde una fuente de energía eléctrica impulsa la regeneración del reductor). y oxidante).

Las baterías de flujo presentan ciertas ventajas técnicas respecto a las baterías recargables convencionales con materiales sólidos electroactivos, como son el escalado independiente de potencia (determinado por el tamaño de la pila) y de energía (determinado por el tamaño de los depósitos), largo ciclo y vida útil, [ 6] y un costo total de propiedad potencialmente más bajo . Sin embargo, las baterías de flujo adolecen de una eficiencia energética de ciclo bajo (50-80%). Este inconveniente surge de la necesidad de operar baterías de flujo a densidades de corriente altas (>= 100 mA/cm2) para reducir el efecto del cruce interno (a través de la membrana/separador) y reducir el costo de energía (tamaño de las pilas). Además, la mayoría de las baterías de flujo (Zn-Cl2, Zn-Br2 y H2-LiBrO3 son excepciones) tienen una energía específica menor (mayor peso) que las baterías de iones de litio . El mayor peso se debe principalmente a la necesidad de utilizar un disolvente (normalmente agua) para mantener las especies activas redox en la fase líquida. [7]

Las clasificaciones de patentes para baterías de flujo no se habían desarrollado completamente en 2021. La Clasificación de Patentes Cooperativa considera los RFB como una subclase de pilas de combustible regenerativas (H01M8/18), aunque es más apropiado considerar las pilas de combustible como una subclase de baterías de flujo. [ cita necesaria ]

El voltaje de la celda está determinado químicamente por la ecuación de Nernst y varía, en aplicaciones prácticas, de 1,0 a 2,43 voltios . La capacidad energética es función del volumen del electrolito y la potencia es función del área de superficie de los electrodos . [8]

Historia

El número de registro de publicaciones relacionadas con fuentes de energía electroquímicas por año. También se muestra como línea magenta el precio del petróleo ajustado a la inflación en dólares estadounidenses/litro en escala lineal.















La batería de flujo de zinc-bromo (Zn-Br2) era la batería de flujo original. [9] John Doyle presentó la patente US 224404  el 29 de septiembre de 1879. Las baterías de Zn-Br2 tienen una energía específica relativamente alta y se demostraron en automóviles eléctricos en la década de 1970. [10]

Walther Kangro, un químico estonio que trabajó en Alemania en la década de 1950, fue el primero en demostrar baterías de flujo basadas en iones de metales de transición disueltos: Ti-Fe y Cr-Fe. [11] Después de experimentos iniciales con la química de la batería de flujo redox (RFB) de Ti-Fe, la NASA y grupos en Japón y otros lugares seleccionaron la química de Cr-Fe para un mayor desarrollo. Se utilizaron soluciones mixtas (es decir, que comprendían especies de cromo y hierro en el negolito y en el posolito) para reducir el efecto de la concentración variable en el tiempo durante el ciclado.

A finales de la década de 1980, Sum, Rychcik y Skyllas-Kazacos [12] en la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Australia demostraron la química de los RFB con vanadio. La UNSW presentó varias patentes relacionadas con los VRFB, que luego fueron concedidas bajo licencia a empresas japonesas, tailandesas y canadienses. , que intentó comercializar esta tecnología con éxito variable. [13]

Las baterías de flujo redox orgánico surgieron en 2009. [14]

En 2022, Dalian , China, comenzó a operar una batería de flujo de vanadio de 400 MWh y 100 MW, entonces la más grande de su tipo. [15]

Diseño

Una batería de flujo es una celda de combustible recargable en la que un electrolito que contiene uno o más elementos electroactivos disueltos fluye a través de una celda electroquímica que convierte de manera reversible la energía química en energía eléctrica . Los elementos electroactivos son "elementos en solución que pueden participar en una reacción de electrodo o que pueden adsorberse en el electrodo". [dieciséis]

El electrolito se almacena externamente, generalmente en tanques, y normalmente se bombea a través de la celda (o celdas) del reactor. [17] Las baterías de flujo se pueden "recargar" rápidamente reemplazando el electrolito líquido descargado (análogo al repostaje de motores de combustión interna ) mientras se recupera el material gastado para recargar. También se pueden recargar in situ . Muchas baterías de flujo utilizan electrodos de fieltro de carbono debido a su bajo costo y conductividad eléctrica adecuada, a pesar de su densidad de potencia limitada debido a su baja actividad inherente hacia muchos pares redox. [18] [19] La cantidad de electricidad que se puede generar depende del volumen de electrolito.

Las baterías de flujo se rigen por los principios de diseño de la ingeniería electroquímica . [20]

Evaluación

Las baterías de flujo redox, y en menor medida las baterías de flujo híbrido, tienen las ventajas de:

Algunos tipos ofrecen una fácil determinación del estado de carga (mediante la dependencia del voltaje de la carga), bajo mantenimiento y tolerancia a la sobrecarga/sobredescarga.

Son seguros porque normalmente no contienen electrolitos inflamables y los electrolitos se pueden almacenar lejos de la pila de energía.

Las principales desventajas son: [21]

Las baterías de flujo suelen tener una eficiencia energética mayor que las pilas de combustible , pero menor que las baterías de iones de litio . [22]

La química de las baterías de flujo tradicionales tiene baja energía específica (lo que las hace demasiado pesadas para vehículos totalmente eléctricos) y baja potencia específica (lo que las hace demasiado caras para el almacenamiento de energía estacionario ). Sin embargo , se demostró una alta potencia de 1,4 W/cm 2 para baterías de flujo de hidrógeno-bromo, y una alta energía específica (530 Wh/kg al nivel del tanque) para baterías de flujo de hidrógeno-bromo [23] [24] [25 ]

Baterías de flujo tradicionales

La celda redox utiliza especies redox activas en medios fluidos (líquidos o gaseosos). Las baterías de flujo redox son celdas recargables ( secundarias ). [26] Debido a que emplean transferencia heterogénea de electrones en lugar de difusión o intercalación de estado sólido, son más similares a las pilas de combustible que a las baterías convencionales. La razón principal por la que las pilas de combustible no se consideran baterías es porque originalmente (en el siglo XIX) las pilas de combustible surgieron como un medio para producir electricidad directamente a partir de combustibles (y aire) mediante un proceso electroquímico sin combustión. Más tarde, particularmente en los años 1960 y 1990, las pilas de combustible recargables (es decir, H
2/ O
2, como las pilas de combustible regenerativas unificadas del prototipo Helios de la NASA ).

La química del Cr-Fe tiene desventajas, incluida la isomería de hidratos (es decir, el equilibrio entre los clorocomplejos de Cr3+ electroquímicamente activos y el complejo hexa-aqua inactivo y la evolución de hidrógeno en el negodo. La isomería de hidratos se puede aliviar añadiendo aminoligandos quelantes, mientras que la evolución de hidrógeno puede aliviarse). Esto se puede mitigar añadiendo sales de Pb para aumentar la sobretensión de H2 y sales de Au para catalizar la reacción del electrodo de cromo [27] .

Las químicas tradicionales de las baterías de flujo redox incluyen vanadio , polisulfuro-bromuro (Regenesys), hierro (IRFB) y uranio . [28] Las pilas de combustible redox son menos comunes comercialmente, aunque se han propuesto muchas. [29] [30] [31] [32]

Vanadio

Las baterías de flujo redox de vanadio son las líderes comerciales. Utilizan vanadio en ambos electrodos, por lo que no sufren contaminación cruzada. Sin embargo, la solubilidad limitada de las sales de vanadio contrarresta esta ventaja en la práctica. Las ventajas de esta química incluyen cuatro estados de oxidación dentro de la ventana de voltaje electroquímico de la interfaz grafito-ácido acuoso y, por lo tanto, la eliminación de la dilución de la mezcla, perjudicial en los RFB de Cr-Fe. Lo más importante para el éxito comercial es la coincidencia casi perfecta de la ventana de voltaje de la interfaz carbono/ácido acuoso con la de los pares redox de vanadio. Esto extiende la vida útil de los electrodos de carbono de bajo costo y reduce el impacto de las reacciones secundarias, como las evoluciones de H2 y O2, lo que resulta en una durabilidad de muchos años y muchos ciclos de vida (15 000 a 20 000), lo que a su vez resulta en una nivelación récord baja. costo de la energía (LCOE, costo del sistema dividido por la energía utilizable, ciclo de vida y eficiencia de ida y vuelta). Esta larga vida útil permite la amortización de su coste de capital relativamente alto (impulsado por el vanadio, los fieltros de carbono, las placas bipolares y las membranas). El LCOE es del orden de unas pocas decenas de centavos por kWh, mucho más bajo que el de las baterías de estado sólido y cerca de los objetivos de 5 centavos establecidos por las agencias gubernamentales de EE. UU. y la CE. [33] Los principales desafíos incluyen: baja abundancia y altos costos de V 2 O 5 (> $ 30 / Kg); reacciones parásitas que incluyen desprendimiento de hidrógeno y oxígeno; y precipitación de V 2 O 5 durante el ciclismo.

Híbrido

La batería de flujo híbrido (HFB) utiliza uno o más componentes electroactivos depositados como una capa sólida. [34] La principal desventaja es que esto reduce la energía y la potencia desacopladas. La celda contiene un electrodo de batería y un electrodo de celda de combustible. Este tipo tiene una energía limitada por el área de superficie del electrodo.

Los HFB incluyen zinc-bromo , zinc-cerio , [35] plomo-ácido soluble , [36] y baterías de flujo de hierro-sal. Weng et al. informaron una batería de flujo híbrido de vanadio- hidruro metálico con un OCV experimental de 1,93 V y un voltaje de funcionamiento de 1,70 V, valores relativamente altos. Consiste en un electrodo positivo de fieltro de grafito que funciona en una solución mixta de VOSO.
4y h
2ENTONCES
4y un electrodo negativo de hidruro metálico en solución acuosa de KOH . Los dos electrolitos de diferente pH están separados por una membrana bipolar. El sistema demostró buena reversibilidad y altas eficiencias en culombio (95%), energía (84%) y voltaje (88%). Informaron mejoras con una mayor densidad de corriente, la inclusión de electrodos más grandes de 100 cm 2 y el funcionamiento en serie. Los datos preliminares que utilizaron una entrada de energía simulada fluctuante probaron la viabilidad del almacenamiento a escala de kWh. [37] En 2016, se propuso una batería de flujo híbrido Mn(VI)/Mn(VII)-Zn de alta densidad energética. [38]

Poliyoduro de zinc

Un prototipo de batería de flujo de zinc - poliyoduro demostró una densidad de energía de 167 Wh/L. Las celdas de bromuro de zinc más antiguas alcanzan los 70 Wh/L. A modo de comparación, las baterías de fosfato de hierro y litio almacenan 325 Wh/L. Se afirma que la batería de poliyoduro de zinc es más segura que otras baterías de flujo dada su ausencia de electrolitos ácidos, su no inflamabilidad y su rango de funcionamiento de -4 a 122 °F (-20 a 50 °C) que no requiere circuitos de enfriamiento extensos, lo que añade peso y ocupa espacio. Un problema sin resolver es la acumulación de zinc en el electrodo negativo que puede permear la membrana y reducir la eficiencia. Debido a la formación de dendritas de Zn, las baterías de haluro de Zn no pueden funcionar con una alta densidad de corriente (> 20 mA/cm 2 ) y, por tanto, tienen una densidad de potencia limitada. Puede resultar útil agregar alcohol al electrolito de la batería de ZnI. [39] Los inconvenientes de las RFB de Zn/I son el alto costo de las sales de yoduro (> $20/Kg); capacidad de área limitada de deposición de Zn, lo que reduce la energía y potencia desacopladas; y formación de dendritas de Zn.

Cuando la batería está completamente descargada, ambos tanques contienen la misma solución electrolítica: una mezcla de iones de zinc cargados positivamente ( Zn2+
) y ion yoduro cargado negativamente, ( I−
). Cuando se carga, un tanque contiene otro ion negativo, poliyoduro ( I−
3). La batería produce energía bombeando líquido a través de la pila donde se mezclan los líquidos. Dentro de la pila, los iones de zinc pasan a través de una membrana selectiva y se transforman en zinc metálico en el lado negativo de la pila. [40] Para aumentar la densidad de energía, los iones bromuro ( Br
–) se utilizan como agente complejante para estabilizar el yodo libre, formando iones yodo-bromuro ( I
2hermano−
) como un medio para liberar iones de yoduro para el almacenamiento de carga. [41]

flujo de protones

Las baterías de flujo de protones (PFB) integran un electrodo de almacenamiento de hidruro metálico en una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) reversible . Durante la carga, el PFB combina iones de hidrógeno producidos al dividir el agua con electrones y partículas metálicas en un electrodo de una pila de combustible. La energía se almacena en forma de un hidruro metálico sólido. La descarga produce electricidad y agua cuando el proceso se invierte y los protones se combinan con el oxígeno ambiental. Se pueden utilizar metales menos costosos que el litio y que proporcionan una mayor densidad de energía que las celdas de litio. [42] [43]

Orgánico

En comparación con las baterías inorgánicas de flujo redox, como las de vanadio y Zn-Br 2 . La ventaja de las baterías de flujo redox orgánico son las propiedades redox ajustables de sus componentes activos. A partir de 2021, los RFB orgánicos experimentaron baja durabilidad (es decir, calendario o ciclo de vida, o ambos) y no se han demostrado a escala comercial. [14]

Las baterías de flujo redox orgánico se pueden clasificar en acuosas (AORFB) y no acuosas (NAORFB). [44] [45] Los AORFB utilizan agua como disolvente para materiales electrolíticos, mientras que los NAORFB emplean disolventes orgánicos. Los AORFB y NAORFB se pueden dividir en sistemas totales e híbridos. Los primeros utilizan únicamente materiales de electrodos orgánicos, mientras que los segundos utilizan materiales inorgánicos para el ánodo o el cátodo. En el almacenamiento de energía a mayor escala, el menor costo de los solventes y la mayor conductividad brindan a los AORFB un mayor potencial comercial, además de ofrecer las ventajas de seguridad de los electrolitos a base de agua. En cambio, los NAORFB proporcionan una ventana de voltaje mucho mayor y ocupan menos espacio.

AORFB de pH neutro

Los AORFB de pH neutro funcionan en condiciones de pH 7, normalmente utilizando NaCl como electrolito de soporte. En condiciones de pH neutro, las moléculas orgánicas y organometálicas son más estables que en condiciones corrosivas ácidas y alcalinas. Por ejemplo, K4[Fe(CN)], un catolito común utilizado en AORFB, no es estable en soluciones alcalinas pero sí en condiciones de pH neutro. [46]

Los AORFB utilizaron viológeno de metilo como anolito y 4-hidroxi-2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oxilo como catolito en condiciones de pH neutro, además de NaCL y una membrana de intercambio aniónico de bajo costo. Este sistema MV/TEMPO tiene el voltaje de celda más alto, 1,25  V, y, posiblemente, el costo de capital más bajo ($180/kWh) reportado para AORFB a partir de 2015. Los electrolitos líquidos acuosos se diseñaron como un reemplazo directo sin reemplazar la infraestructura. Una batería de prueba de 600 milivatios se mantuvo estable durante 100 ciclos con casi un 100 por ciento de eficiencia en densidades de corriente que oscilaban entre 20 y 100 mA/cm 2 , con un rendimiento óptimo clasificado entre 40 y 50  mA, en el que se absorbió aproximadamente el 70% del voltaje original de la batería. retenido. [47] [48] Los AORFB neutros pueden ser más respetuosos con el medio ambiente que las alternativas ácidas o alcalinas, al tiempo que muestran un rendimiento electroquímico comparable al de los RFB corrosivos. El MV/TEMPO AORFB tiene una densidad de energía de 8,4  Wh/L con la limitación en el lado TEMPO. En 2019, se informó que las baterías de flujo basadas en viológeno que utilizan un AORFB de sulfonato ultraligero : viológeno/ ferrocianuro eran estables durante 1000 ciclos a una densidad de energía de 10 Wh/L, el AORFB más estable y con mayor densidad de energía hasta esa fecha. [49]

AORFB ácidos

Las quinonas y sus derivados son la base de muchos sistemas orgánicos redox. [50] [51] [52] En un estudio, se emplearon ácido 1,2-dihidrobenzoquinona-3,5-disulfónico (BQDS) y ácido 1,4-dihidrobenzoquinona-2-sulfónico (BQS) como cátodos, y Pb convencional / PbSO 4 era el anolito en un ácido híbrido AORFB. Las quinonas aceptan dos unidades de carga eléctrica, en comparación con una en el catolito convencional, lo que implica el doble de energía en un volumen determinado.

Se evaluó otra quinona, el ácido 9,10-antraquinona-2,7-disulfónico (AQDS). [53] AQDS sufre una reducción rápida y reversible de dos electrones/dos protones en un electrodo de carbón vítreo en ácido sulfúrico . Una batería de flujo acuoso con electrodos de carbono económicos, que combina el par quinona/hidroquinona con el Br.
2/ hermano−
 par redox , produce una densidad de potencia galvánica máxima superior a 6.000 W/m 2 a 13.000 A/m 2 . El ciclismo mostró > 99 % de retención de la capacidad de almacenamiento por ciclo. La densidad de energía volumétrica superó los 20 Wh/L. [54] El ácido antraquinona-2-sulfónico y el ácido antraquinona-2,6-disulfónico en el lado negativo y el ácido 1,2-dihidrobenzoquinona-3,5-disulfónico en el lado positivo evitan el uso de Br 2 peligroso . Se afirmó que la batería duraba 1.000 ciclos sin degradarse. [55] Tiene un voltaje de celda bajo (aprox. 0,55  V) y una densidad de energía baja (< 4  Wh/L).

Reemplazar el ácido bromhídrico con una solución alcalina menos tóxica ( KOH  1 M ) y ferrocianuro [56] fue menos corrosivo, lo que permitió el uso de tanques de polímeros económicos. El aumento de la resistencia eléctrica en la membrana se compensó con un aumento de voltaje a 1,2 V. [57] [58] La eficiencia de la celda superó el 99%, mientras que la eficiencia de ida y vuelta midió el 84%. La batería ofrecía una vida útil prevista de al menos 1.000 ciclos. Su densidad energética teórica era de 19 Wh/L. [59] No se verificó la estabilidad química del ferrocianuro en una solución de KOH de alto pH.  

La integración de anolito y catolito en la misma molécula, es decir, analitos bifuncionales [60] o moléculas combinadas [61] permite utilizar el mismo material en ambos tanques. En un tanque es donante de electrones, mientras que en el otro es receptor de electrones. Esto tiene ventajas como la disminución de los efectos cruzados. [62] Por lo tanto, las moléculas de quinona diaminoantraquinona [62] y de índigo [60] , así como TEMPO/ fenazina [61], son electrolitos potenciales para este tipo de baterías de flujo redox simétrico (SRFB).

Otro enfoque adoptó a un radical de Blatter como donante/receptor. Soportó 275 ciclos de carga y descarga en las pruebas, aunque no era soluble en agua. [63]

Alcalino

Las moléculas de quinona y fluorenona se pueden rediseñar para aumentar la solubilidad en agua. En 2021, una celda de demostración de (des)hidrogenación de cetonas reversible funcionó de forma continua durante 120 días durante 1111 ciclos de carga a temperatura ambiente sin catalizador, conservando el 97 % de su capacidad. La celda ofrecía más del doble de densidad de energía que los sistemas basados ​​en vanadio. [64] [65] El principal desafío fue la falta de un catolito estable que mantuviera densidades de energía por debajo de 5 Wh/L. Los AORFB alcalinos utilizan un exceso de católito de ferrocianuro de potasio debido al problema de estabilidad del ferrocianuro en soluciones alcalinas.

Las baterías de flujo organometálico utilizan ligandos orgánicos para mejorar las propiedades redox. Los ligandos pueden ser quelatos como EDTA , y pueden permitir que el electrolito esté en condiciones neutras o alcalinas en las que, de otro modo, precipitarían los acucomplejos metálicos . Al bloquear la coordinación del agua con el metal, los ligandos orgánicos pueden inhibir las reacciones de división del agua catalizadas por metales , lo que da como resultado sistemas acuosos de mayor voltaje. Por ejemplo, el uso de cromo coordinado con 1,3-propanodiaminotetraacetato (PDTA) dio potenciales celulares de 1,62 V frente al ferrocianuro y un récord de 2,13 V frente al bromo . [66] Las baterías de flujo organometálico pueden conocerse como baterías de flujo de química de coordinación, como la tecnología Gridstar Flow de Lockheed Martin . [67]

oligómero

Se propusieron especies de oligómeros redox para reducir el cruce y al mismo tiempo permitir membranas de bajo costo. Estos oligómeros activos redox se conocen como redoxímeros. Un sistema utiliza polímeros orgánicos y una solución salina con una membrana de celulosa . Un prototipo se sometió a 10.000 ciclos de carga manteniendo una capacidad sustancial. La densidad de energía fue de 10 Wh/L. [68] La densidad de corriente alcanzó ,1 amperios/cm 2 . [69]

Otro oligómero RFB empleó viológeno y redoximeros TEMPO en combinación con membranas de diálisis de bajo costo . El material del electrodo activo fueron macromoléculas funcionalizadas (similares al vidrio acrílico o al poliestireno ) disueltas en agua. La membrana nanoporosa de tamaño selectivo funcionó como un filtro y se produce mucho más fácilmente y a menor costo que las membranas selectivas de iones convencionales. Bloquea las grandes moléculas de polímero parecidas a "espaguetis", al tiempo que permite el paso de pequeños contraiones. [70] El concepto puede resolver el alto costo de la membrana tradicional Nafion . Los RFB con especies redox de oligómeros no han demostrado poder competitivo en áreas específicas. La baja densidad de corriente operativa puede ser una característica intrínseca de las grandes moléculas redox. [ cita necesaria ]

Otros tipos

Otras baterías de flujo incluyen la batería de zinc-cerio , la batería de zinc-bromo y la batería de hidrógeno-bromo .

sin membrana

Una batería sin membrana [71] se basa en un flujo laminar en el que dos líquidos se bombean a través de un canal, donde experimentan reacciones electroquímicas para almacenar o liberar energía. Las soluciones pasan en paralelo, con poca mezcla. El flujo separa los líquidos de forma natural, sin necesidad de membrana. [72]

Las membranas suelen ser los componentes de baterías más costosos y menos fiables, ya que están sujetos a corrosión por la exposición repetida a ciertos reactivos. La ausencia de membrana permite el uso de una solución líquida de bromo e hidrógeno: esta combinación es problemática cuando se utilizan membranas, porque forman ácido bromhídrico que puede destruir la membrana. Ambos materiales están disponibles a bajo costo. [73] El diseño utiliza un pequeño canal entre dos electrodos. El bromo líquido fluye a través del canal sobre un cátodo de grafito y el ácido bromhídrico fluye debajo de un ánodo poroso. Al mismo tiempo, fluye gas hidrógeno a través del ánodo. La reacción química se puede revertir para recargar la batería, una novedad en un diseño sin membrana. [73] Una de estas baterías de flujo sin membrana anunciada en agosto de 2013 produjo una densidad de potencia máxima de 795 kW/cm 2 , tres veces más que otros sistemas sin membrana y un orden de magnitud mayor que las baterías de iones de litio. [73]

En 2018, se demostró un RFB sin membrana a macroescala capaz de recargar y recircular las corrientes de electrolitos. La batería estaba basada en catolitos orgánicos inmiscibles y líquidos anolitos acuosos, que exhibían una alta retención de capacidad y eficiencia coulómbica durante el ciclo. [74]

Basado en suspensión

Batería de flujo semisólido [75]

Un sistema de litio-azufre dispuesto en una red de nanopartículas elimina la necesidad de que la carga entre y salga de las partículas que están en contacto directo con una placa conductora. En cambio, la red de nanopartículas permite que la electricidad fluya por todo el líquido. Esto permite extraer más energía. [76]

En una batería de flujo semisólido , las partículas de los electrodos positivos y negativos están suspendidas en un líquido portador. Las suspensiones fluyen a través de una pila de cámaras de reacción, separadas por una barrera, como una membrana delgada y porosa. El enfoque combina la estructura básica de las baterías de flujo acuoso, que utilizan material de electrodo suspendido en un electrolito líquido, con la química de las baterías de iones de litio tanto en suspensiones libres de carbono como en lodos con una red de carbono conductora. [1] [77] [78] Las RFB semisólidas sin carbono también se conocen como baterías de flujo redox de dispersión sólida . [79] La disolución de un material cambia significativamente su comportamiento químico. Sin embargo, suspender trozos de material sólido preserva las características del sólido. El resultado es una suspensión viscosa. [80]

En 2022, Influit Energy anunció un electrolito de batería de flujo que consiste en un óxido metálico suspendido en una solución acuosa. [81] [82]

Baterías de flujo con sólidos dirigidos a redox (ROTS), también conocidos como impulsores de energía sólida (SEB) [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] ya sea el posolito o el negolito o ambos (también conocidos como fluidos redox), entran en contacto con uno o más materiales electroactivos sólidos (SEM). Los fluidos comprenden uno o más pares redox, con potenciales redox flanqueando el potencial redox del SEM. Estos SEB/RFB combinan la alta ventaja energética específica de las baterías convencionales (como las de iones de litio ) con la ventaja energía-potencia desacoplada de las baterías de flujo. Los RFB SEB(ROTS) tienen ventajas en comparación con los RFB semisólidos, como la ausencia de necesidad de bombear lodos viscosos, la ausencia de precipitación/obstrucción, una mayor potencia específica del área, una mayor durabilidad y un espacio de diseño químico más amplio. Sin embargo, debido a las pérdidas dobles de energía (una en la pila y otra en el tanque entre el SEB (ROTS) y un mediador), dichas baterías adolecen de una eficiencia energética deficiente. A nivel de sistema, la energía específica práctica de las baterías de iones de litio tradicionales es mayor que la de las versiones de flujo SEB (ROTS) de las baterías de iones de litio . [90]

Comparación

Aplicaciones

Los méritos técnicos hacen que las baterías de flujo redox sean muy adecuadas para el almacenamiento de energía a gran escala. Las baterías de flujo normalmente se consideran para aplicaciones estacionarias relativamente grandes (1 kWh – 10 MWh) con ciclos de carga y descarga de varias horas. [94] Las baterías de flujo no son rentables para tiempos de carga/descarga más cortos. Los nichos de mercado incluyen:

Ver también

Referencias

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