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 metal de zinc 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 celdas primarias . Es un metal ampliamente disponible y relativamente económico. Es bastante estable en contacto con soluciones acuosas neutras y alcalinas. Por esta razón, hoy en día se utiliza en las baterías primarias de zinc-carbono y alcalinas .

La principal aplicación potencial es el almacenamiento de energía estacionaria, ya sea para la red eléctrica o para sistemas de energía domésticos o autónomos . El electrolito acuoso hace que el sistema sea menos propenso al sobrecalentamiento y al incendio 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:

• Capacidad de descarga de profundidad del 100% 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 necesita sistemas de refrigeración
• Materiales de batería de bajo costo y fácilmente disponibles
• Reciclaje sencillo al final de la vida útil utilizando procesos existentes

Comparten cuatro desventajas:

• Menor densidad energética
• Menor eficiencia de ida y vuelta (parcialmente compensada por la energía necesaria para hacer funcionar los sistemas de refrigeración).
• Es necesario descargarlo completamente cada pocos días para evitar la formación de 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 normalmente requieren altas tasas de carga/descarga y bajo peso), pero sí son adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de energía estacionaria, como el ciclo diario para respaldar la generación de energía solar , sistemas fuera de la red y cambio de carga .

Tipos

Fluir

La batería de flujo de zinc-bromo (ZBRFB) es una batería de flujo híbrida. Una solución de bromuro de zinc se almacena en dos tanques. Cuando la batería se carga o se descarga, las soluciones (electrolitos) se bombean a través de una pila de reactores de un tanque al otro. Un tanque se utiliza para almacenar el electrolito para las reacciones de electrodos positivos y el otro para almacenar el negativo. Las densidades de energía varían 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, el zinc metálico se deposita en la solución de electrolito sobre las superficies del electrodo negativo (fieltro de carbono en 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 segura y complejada químicamente ^{[ aclarar ]} . Las celdas ZBRFB más antiguas usaban membranas de polímero (polímeros microporosos, Nafion , etc.) Los diseños más recientes eliminan la membrana. ^[4] La pila de batería generalmente está 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 . Puede dejarse completamente descargada indefinidamente. La autodescarga no se produce en un estado completamente cargado cuando la pila se mantiene seca.

Características

Baterías de flujo RedFlow ZBM2 de 10 kWh 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 significativas:

• Son escalables a gran capacidad de almacenamiento a través de tanques y pilas de mayor tamaño.
• Se pueden reparar o reemplazar piezas individuales, por ejemplo, la bomba, los tanques o el electrolito.

Las baterías de flujo también tienen desventajas específicas:

• Reinicio: cada 1 a 4 ciclos, los terminales deben cortocircuitarse a través de una derivación de baja impedancia mientras se hace funcionar la bomba de electrolito, para eliminar completamente el zinc de las placas de la batería. ^[3]
• Baja potencia superficial: (<0,2 W/cm ² ) tanto durante la carga como durante 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 energética:
• Construcción compleja con partes 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 la presión de vapor del bromo, se añaden agentes complejantes al electrolito positivo. Estos reaccionan de forma reversible con el bromo para formar un líquido rojo aceitoso y reducir la concentración de bromo.
₂concentración en el electrolito. ^{[ cita requerida ]}

Desarrolladores

• Primus Power – Hayward, California, es una empresa privada estadounidense. Sin embargo, a mayo de 2023, no había 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 la bolsa ASX. Su batería ZBM3 afirmaba suministrar 12 horas de energía continua. ^[10] Afirmaban que su batería ZBM3 tenía una “ eficiencia energética de pila ” CC-CC de hasta el 80 % ^[11] y 42 Wh/kg para la ZBM3, ^[11] una unidad de 10 kWh.
• EnSync (anteriormente ZBB) ^[12] – Menomonee Falls, Wisconsin, EE. UU. (desaparecida). ^[13]

Sin flujo

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

Desarrolladores

• Gelion: Thomas Maschmeyer, de la Universidad de Sídney, sustituyó 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 recibió 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 su uso en aplicaciones comerciales y de red. ^[16]   Gelion afirmó que sus monobloques tendrán ^[16] mayor densidad energética (120 Wh/kg), mayor eficiencia de ida y vuelta (>87%), sin partes móviles y escalabilidad de fabricación a capacidad de gigavatios mediante la adaptación de las fábricas de baterías de plomo-ácido existentes.

A partir de marzo de 2023 ^[actualizar], Gelion planeó implementar una prueba de 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 la gestión y prevención de dendritas. ^[18]

• Cátodo de EOS Energy Enterprise: En mayo de 2023, ^[actualizar]EOS había anunciado su batería Eos Z3 y afirmaba tener 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 "de mediados de los 80" (con una profundidad de descarga reducida) y una vida útil de 6000 ciclos/20 años. ^[20]

Electroquímica

La configuración de flujo y no flujo comparten 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 frente a SHE .

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

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

Así que 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 (ligeramente menos que la prevista a partir de los potenciales de reducción estándar). ^{[ cita requerida ]}

Aplicaciones

Sitios de telecomunicaciones remotos

Es posible lograr importantes ahorros de combustible en los 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 con biogás de 2,0 MW y un sistema de control de microrredes en California. ^{[22] [23]}

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

En febrero de 2022 ^[actualizar], Gelion anunció un acuerdo con Acciona Energía para probar las 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 Rolling Hills Casino de California. ^[10]

Véase también

• Ingeniería electroquímica
• Lista de tipos de baterías

Referencias

1. Khor, A.; Leung, P.; Mohamed, MR; Flox, C.; Xu, Q.; An, L.; Wills, RGA; Morante, JR; Shah, AA (junio de 2018). "Revisión de baterías de flujo híbridas basadas en zinc: de los fundamentos a las aplicaciones". Materials Today Energy . 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 remotos de telecomunicaciones" (PDF) . Sandia National Laboratories. 2013. p. 6 . Consultado el 1 de abril de 2015 .
3. Rose y Ferreira, pág. 4.
4. "US20200036046 BATERÍA DE ZINC Y BROMO DE CELDA ÚNICA SIN MEMBRANA, SIN FLUJO, CON ELECTRODO DE ESPUMA DE CARBONO COMPUESTO QUE ATRAPA BROMO". patentscope.wipo.int .
5. G. P. Corey, Una evaluación del estado de los esfuerzos de desarrollo de baterías de zinc-bromo. RedFlowLimited Brisbane, Queensland, Australia, 2011.
6. Nakatsuji-Mather, M.; Saha, TK (2012). "Baterías de flujo de zinc-bromo en el suministro eléctrico residencial: dos estudios de caso". Reunión general de la IEEE Power and Energy Society de 2012. págs. 1–8. doi :10.1109/PESGM.2012.6344777. ISBN 978-1-4673-2729-9. Número de identificación del sujeto  22810353.
7. Suresh, S.; Kesavan, T.; Munaiah, Y.; Arulraj, I.; Dheenadayalan, S.; Ragupathy, P. (2014). "Batería de flujo híbrida de zinc-bromo: efecto de la utilización del zinc y características de rendimiento". RSC Advances . 4 (71): 37947. Bibcode :2014RSCAd...437947S. doi :10.1039/C4RA05946H. ISSN  2046-2069.
8. "Primus Power". primuspower.com . Consultado el 14 de mayo de 2023 .
9. "Primus Power". primuspower.com . Consultado el 8 de febrero de 2022 .
10. Hanley, Steve (2 de junio de 2023). "Redflow suministrará un sistema de almacenamiento de baterías 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 su nombre a EnSync" (Nota de prensa).
13. Nick Williams (13 de marzo de 2019). "EnSync Energy tiene intención de declararse en quiebra y despediría a casi todos sus empleados". Milwaukee Business Journal.
14. "CASAS CON ALIMENTACIÓN POR BATERÍA/CATALIZADOR". Australian Broadcasting Corporation . 2 de febrero de 2016 . Consultado el 15 de enero de 2017 .
15. "La tecnología australiana de baterías basadas en gel atrae importantes fondos 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 Lithium Sulfur IP Acq + Innovation Challenge" (Adquisición de IP de litio y azufre de Gelion PLC + 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 2023-05-14 .
20. "Tecnología". Eos Energy Enterprises . Consultado el 14 de mayo de 2023 .
21. Rose y Ferreira, pág. 10.
22. "Redflow firma su mayor venta global de baterías con Anaergia para suministrar almacenamiento de energía en California". Anaergia . 2021-03-13 . Consultado el 2022-02-08 .
23. "Redflow completa la instalación de 2 MWh en California – Redflow" . Consultado el 8 de febrero de 2022 .
24. "Eos Energy obtiene un pedido de 300 MWh de sistemas de almacenamiento de baterías". Renewablesnow.com . Consultado el 8 de febrero de 2022 .
25. Vorrath, Sophie (2 de febrero de 2022). «Gelion probará sus baterías de bromuro de zinc en un parque solar español». RenewEconomy . Consultado el 8 de febrero de 2022 .

Lectura adicional

• Formación de complejos de bromo en baterías circulantes de cinc-bromo DJ Eustace, J. Electrochem. Soc. 127(3), 528–32 (1980)
• Manual de baterías, 3.ª edición. D. Linden, TB Reddy. 39.1–39.8 (2002)
• Rose, 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