Los científicos dirigidos por un investigador de la Universidad Estatal de Oregon han desarrollado un nuevo electrolito que aumenta la eficiencia del ánodo de metal de zinc en baterías de zinc a casi el 100%, un avance en el camino a una alternativa a las baterías de iones de litio para el almacenamiento de energía a gran escala.
La investigación es parte de una búsqueda global en curso de nuevas químicas de batería capaces de almacenar energía solar y eólica renovables en la red eléctrica para su uso cuando el sol no brilla y el viento no está soplado.
Xiulei [David "Ji del OSU College of Science y una colaboración que incluyó a HP Inc. y Grotthuss Inc
[El avance representa un avance significativo para hacer que las baterías de metal de zinc sean más accesibles para los consumidores ", dijo Ji. [Estas baterías son esenciales para la instalación de parques solares y eólicos adicionales. Además, ofrecen una solución segura y eficiente para el almacenamiento de energía en el hogar , así como módulos de almacenamiento de energía para comunidades que son vulnerables a los desastres naturales ".
Una batería almacena electricidad en forma de energía química y a través de reacciones la convierte en energía eléctrica. Hay muchos tipos diferentes de baterías, pero la mayoría de ellos funcionan de la misma manera básica y contienen los mismos componentes básicos. Cada batería tiene dos electrodos, el ánodo, desde el cual los electrones fluyen hacia un circuito externo, y el cátodo, que adquiere electrones del circuito externo, y el electrolito, el medio químico que separa los electrodos y permite el flujo de iones entre ellos .
Confiar en un metal que es seguro y abundante, las baterías a base de zinc son densas en energía y se ven como una posible alternativa para el almacenamiento de energía de la red a baterías de iones de litio ampliamente utilizadas, cuya producción se basa en los suministros reducidos de metales raros como el cobalto y níquel. El cobalto y el níquel también son tóxicos y pueden contaminar ecosistemas y fuentes de agua si se filtran de los vertederos. Además, los electrolitos en las baterías de iones de litio se disuelven comúnmente en solventes orgánicos inflamables que a menudo se descomponen a altos voltajes de operación. Otras preocupaciones de seguridad incluyen dendritas, que se asemejan a pequeños árboles que crecen dentro de una batería. Pueden perforar el separador, como los cartos que crecen a través de grietas en un camino de entrada, lo que lleva a reacciones químicas no deseadas y, a veces, inseguras.
[Las baterías de metal de zinc son una de las principales tecnologías candidatas para el almacenamiento de energía a gran escala ", dijo Ji. [Nuestro nuevo electrolito híbrido usa agua y un solvente de batería ordinario, que no es inflamable, rentable y de bajo impacto ambiental. El electrolito está hecho de una mezcla disuelta de sales de cloruro de bajo costo, siendo el primario cloruro de zinc ".
El costo de la electricidad entregada por una instalación de almacenamiento que consiste en baterías de zinc solo puede ser competitivo con la electricidad producida por combustibles fósiles si la batería tiene una larga vida útil de miles de ciclos, dijo Ji. Hasta la fecha, sin embargo, la vida del ciclo ha estado limitada por el bajo rendimiento de reversibilidad del ánodo de zinc. Durante la carga, explica Ji, los cationes de zinc en los electrolitos ganan electrones y se colocan en la superficie del ánodo. Durante la descarga, el ánodo chapado renuncia a los electrones para la carga de trabajo al disolverse en el electrolito.
[Este proceso de placas de zinc y disolución a menudo es lamentablemente irreversible ", dijo Ji. [Es decir, algunos electrones utilizados en el enchapado no se pueden recuperar durante la descarga. Este es un problema en un área conocida como eficiencia coulombica".
La eficiencia coulombic, o CE, es una medida de qué tan bien se transfieren los electrones en baterías, la relación de la carga total extraída de la batería a la carga que se coloca en el ciclo completo. Las baterías de iones de litio pueden tener un CE superior al 99%.
El nuevo electrolito desarrollado por JI y colaboradores, incluidos los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Penn State y la Universidad de California, Riverside, permitieron un CE del 99.95%.
[El desafío principal con las baterías de zinc es que el zinc reacciona con el agua en el electrolito para generar gas de hidrógeno en lo que se llama reacción de evolución de hidrógeno ", dijo Ji. [Esta reacción parásita causa una vida útil del ciclo corto y también es un peligro potencial de seguridad. "
Sin embargo, el nuevo electrolito restringe la reactividad del agua y casi cierra la reacción de la evolución del hidrógeno al formar una [capa de pasivación "en la superficie del ánodo. Una capa de pasivación similar es lo que permitió la comercialización inicial de las baterías de iones de litio en la 1990s. Ji acredita al colega de química de OSU Chong Fang por descubrir la estructura atómica de los electrolitos utilizando la espectroscopía de raman de femtosegundos y Alex Greaney en UC Riverside para determinar el mecanismo de pasivación.
[Además, vale la pena señalar que la eficiencia que medimos se encuentra en condiciones duras que no enmascaran ningún daño causado por la reacción de evolución de hidrógeno ", agregó Ji. [El avance informado aquí anuncia la comercialización de los futuros cercanos de las baterías de metal de zinc para Almacenamiento de cuadrícula a gran escala ".
Kyriakos Stylianou de OSU también participó en esta investigación, que fue apoyada por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
