Un paso delante para la resiliencia de la red y para juntar energía del sol, el derrota y el agua

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Un compuesto ampliamente utilizado en velas ofrece la promesa de un desafío energético mucho más moderno: almacenar grandes cantidades de energía para alimentar la red eléctrica cuando sea necesario.

Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU. Han demostrado que los compuestos orgánicos de bajo costo prometen almacenar energía de la red. La fluorenona común, un polvo amarillo brillante, fue un participante reacio al principio, pero con suficiente persuasión química demostró ser un poderoso socio de almacenamiento de energía en los sistemas de baterías de flujo, grandes sistemas que almacenan energía para la red.

El desarrollo de este tipo de archivo es fundamental. Cuando la red se desconecta debido a condiciones climáticas adversas, por ejemplo, se activan grandes baterías en desarrollo, lo que aumenta la resistencia de la red y minimiza las interrupciones. Las baterías también se pueden utilizar para almacenar energía renovable procedente del viento y la solar, para usar cuando el viento está en calma o el sol no brilla.

Los detalles de la investigación, respaldada por la Oficina de Electricidad del DOE, se publican en la edición del 21 de mayo de la revista. Ciencias.

«La tecnología de batería de flujo es una parte clave del objetivo del Departamento de Energía de reducir el costo del almacenamiento de energía de la red durante la próxima década», dijo Imre Gyuk, Director de Almacenamiento de Energía en la Oficina de Electricidad del DOE. «El progreso ha sido rápido y el costo se ha reducido significativamente, pero se necesita más investigación para hacer que el almacenamiento de energía a escala de red esté ampliamente disponible».

Baterías de flujo para la red: hacia lo orgánico

Los científicos están dando grandes pasos hacia la creación de mejores baterías, almacenando más energía a menores costos y durando más que nunca. Los resultados tocan muchos aspectos de nuestras vidas, lo que resulta en una red eléctrica más resistente, baterías de portátiles más duraderas, más vehículos eléctricos y un mayor uso de energía renovable del viento, el sol brillante o el agua que fluye.

Para las baterías a escala de red, identificar los materiales correctos y combinarlos para crear una nueva receta para el almacenamiento de energía es un paso crítico en la capacidad del mundo para aprovechar y almacenar energía renovable. Las baterías de escala de red más utilizadas utilizan tecnología de iones de litio, pero son difíciles de personalizar momento a momento de las formas más útiles para la red y existen problemas de seguridad. Las baterías de flujo redox son una alternativa creciente; sin embargo, la mayoría usa vanadio, que es caro, no se consigue fácilmente y está sujeto a fluctuaciones de precios. Estas características plantean barreras para el almacenamiento de energía a gran escala.

Los materiales alternativos para las baterías de flujo incluyen moléculas orgánicas, que están mucho más disponibles, son más ecológicas y menos costosas que el vanadio. Pero los orgánicos no han resistido bien las demandas de la tecnología de baterías de flujo, por lo general se desgastan más rápido de lo necesario. La estabilidad a largo plazo de las moléculas es importante para que mantengan su capacidad de realizar reacciones químicas durante muchos años.

«Estos materiales orgánicos están hechos de los materiales más comunes disponibles: carbono, hidrógeno y oxígeno», dijo Wei Wang, el científico de PNNL que dirige el equipo de baterías de flujo. «Están fácilmente disponibles; no necesitan ser extraídos, como lo hacen sustancias como el vanadio. Esto los hace muy atractivos para el almacenamiento de energía a escala de red».

En Ciencias En el documento, el equipo de Wang demostró que la fluorenona orgánica de bajo costo es, sorprendentemente, no solo un candidato viable, sino también un actor tremendo en lo que respecta al almacenamiento de energía.

En pruebas de laboratorio que imitaban las condiciones del mundo real, la batería PNNL funcionó de forma continua durante 120 días, y solo terminó cuando se agotaron otros equipos no relacionados con la batería. La batería pasó por 1.111 ciclos completos de carga y descarga, el equivalente a varios años de funcionamiento en circunstancias normales, y perdió menos del 3% de su capacidad energética. Otras baterías de flujo de base orgánica han funcionado durante un período mucho más corto.

La batería de flujo que creó el equipo tiene solo unos 10 centímetros cuadrados, aproximadamente del tamaño de un sello postal grande, y emite alrededor de 500 milivatios de energía, ni siquiera lo suficiente para alimentar la cámara de un teléfono celular. Pero la pequeña estructura encarna una gran promesa: su densidad de energía es más del doble que la de las baterías de vanadio que se usan hoy en día, y sus componentes químicos son económicos, duraderos y ampliamente disponibles.

La ingeniería molecular invierte la fluorenona

El desarrollo fue posible gracias a un equipo de científicos, incluido el primer autor Ruozhu Feng, el gerente técnico Xin Zhang y otros.

Los científicos de PNNL desempeñaron un papel importante en el desarrollo de las baterías de flujo de vanadio que se utilizan en la actualidad. Hace unos años, el equipo centró su atención en las moléculas orgánicas debido a su amplia disponibilidad y bajo costo. En 2018, Zhang se unió al equipo como parte de un esfuerzo por afinar el material para el almacenamiento de energía, aportando una comprensión profunda de fluorenone a partir de investigaciones anteriores sobre LED.

La fluorenona también se usa en paneles solares, en productos farmacéuticos como medicamentos para tratar la malaria y en velas, para darles un aroma agradable. Es económico y está fácilmente disponible como producto de desecho del alquitrán de hulla y la producción de ácido benzoico, un aditivo alimentario común.

Zhang centró su atención en la fluorenona como el corazón de una batería de flujo acuoso (a base de agua), pero había barreras. Por un lado, la molécula no era lo suficientemente soluble en agua. Y la molécula no había mostrado reversibilidad redox en soluciones acuosas; es decir, los científicos no habían demostrado que pudieran aceptar y donar electrones fácilmente, dos pasos complementarios y obligatorios para una batería de flujo.

Feng creó una serie de pasos químicos complejos, lo que Wang llama «ingeniería molecular», para transformar la fluorenona en un compuesto redox reversible y soluble en agua. Parte del proceso ha sido fácil para la fluorenona durante mucho tiempo: adquirir un electrón en un proceso conocido como reducción. Pero fue necesaria la obstinada persuasión química de Feng para lograr la otra mitad del proceso, la oxidación, la pérdida de un electrón, para hacer que el proceso sea reversible y adecuado para el almacenamiento de energía.

Inesperadamente, Feng descubrió que la capacidad de la fluorenona para realizar reacciones reversibles depende de su concentración: más sustancia disuelta en agua hace posible la reversibilidad. Los científicos nunca antes habían presenciado el fenómeno con moléculas orgánicas.

«Esta es una gran demostración del uso de la ingeniería molecular para cambiar un material de uno ampliamente considerado imposible de usar en algo útil para el almacenamiento de energía», dijo Wang. «Esto abre un nuevo espacio químico importante que podemos explorar».

El equipo también aumentó la solubilidad de la fluorenona en agua, de casi 0 con fluorenona prístina a 1,5 moles por litro, dependiendo de los cambios en el compuesto. La solubilidad en una batería de flujo a base de agua es vital; cuanto más se disuelve el material en agua, más disponible como socio químico en el intercambio de electrones en el corazón de la batería.

PNNL está fomentando la comercialización de baterías de flujo redox acuosas basadas en fluorenona y, como primer paso, ha presentado una patente de innovación.

El trabajo en baterías de flujo es parte de un extenso programa en PNNL para desarrollar y probar nuevas tecnologías para el almacenamiento de energía a escala de red. PNNL fue elegido a principios de este año como el hogar de Grid Storage Launchpad, una instalación creada por la Oficina de Electricidad del DOE para acelerar el desarrollo y las pruebas de baterías grandes. Un objetivo principal es aumentar el uso de materiales fácilmente disponibles y reducir los costos al permitir almacenar energía renovable durante períodos más largos.

Además de Feng, Zhang y Wang, los autores incluyen a los científicos de PNNL Vijayakumar Murugesan, Aaron Hollas, Ying Chen, Yuyan Shao, Eric Walter, Nadeesha Wellala, Litao Yan y Kevin Rosso. Se realizaron varias mediciones mediante espectrometría de masas y resonancia magnética nuclear en EMS, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

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