El nuevo concepto revoluciona la tecnología de las baterías

El diseño sin bomba para la batería de flujo podría ofrecer ventajas en costo y simplicidad

Un nuevo concepto para una batería de flujo funciona como un viejo reloj de arena o un reloj de arena, con partículas (en este caso transportadas como una lechada) que fluyen a través de una abertura estrecha de un tanque a otro. Luego, el flujo se puede invertir girando el dispositivo.

Un nuevo enfoque para el diseño de una batería líquida, utilizando una disposición pasiva alimentada por gravedad similar a un reloj de arena antiguo, podría ofrecer grandes ventajas debido al bajo costo del sistema y la simplicidad de su diseño y operación, dice un equipo de Investigadores del MIT que han realizado una versión de demostración de la nueva batería.

Las baterías de flujo líquido, en las que los electrodos positivo y negativo están en forma líquida y separados por una membrana, no son un concepto nuevo, y algunos miembros de este equipo de investigación dieron a conocer un concepto anterior hace tres años. La tecnología básica puede utilizar una variedad de formulaciones químicas, incluidos los mismos compuestos químicos que se encuentran en las baterías de iones de litio actuales. En este caso, los componentes clave no son losas sólidas que permanecen en su lugar durante la vida útil de la batería, sino partículas diminutas que pueden transportarse en una suspensión líquida. El aumento de la capacidad de almacenamiento simplemente requiere tanques más grandes para contener la lechada.

Pero todas las versiones anteriores de baterías líquidas se han basado en sistemas complejos de tanques, válvulas y bombas, lo que aumenta el costo y brinda múltiples oportunidades para posibles fugas y fallas.

La nueva versión, que sustituye el sistema de bombeo por una alimentación por gravedad simple, elimina esa complejidad. La tasa de producción de energía se puede ajustar simplemente cambiando el ángulo del dispositivo, lo que acelera o ralentiza la tasa de flujo. El concepto se describe en un artículo en la revista. Ciencias de la energía y el medio ambiente, escrito en coautoría por el profesor Kyocera de Cerámica Yet-Ming Chiang, el profesor Pappalardo de Ingeniería Mecánica Alexander Slocum, el profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería Gareth McKinley y el profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la POSCO W. Craig Carter, así como el postdoctorado Xinwei Chen, el estudiante graduado Brandon Hopkins y otros cuatro.

Chiang describe el nuevo enfoque como algo así como un diseño de “automóvil conceptual” 攁 que no se espera que entre en producción tal como está, pero que demuestra algunas ideas nuevas que, en última instancia, pueden conducir a un producto real.

El concepto original de las baterías de flujo se remonta a la década de 1970, pero las primeras versiones utilizaban materiales que tenían una densidad de energía muy baja, es decir, tenían una capacidad baja para almacenar energía en proporción a su peso. Un nuevo paso importante en el desarrollo de las baterías de flujo se produjo con la introducción de versiones de alta densidad de energía hace unos años, incluida una desarrollada por miembros de este equipo del MIT, que utilizaba los mismos compuestos químicos que las baterías de iones de litio convencionales. Esa versión tenía muchas ventajas pero compartía con otras baterías de flujo la desventaja de la complejidad en sus sistemas de plomería.

La nueva versión reemplaza toda esa plomería con un sistema simple, alimentado por gravedad. En principio, funciona como un reloj de arena antiguo o un reloj de arena, con partículas que fluyen a través de una abertura estrecha de un tanque a otro. Luego, el flujo se puede invertir girando el dispositivo. En este caso, la forma general se parece más a un marco de ventana rectangular, con una ranura estrecha en el lugar donde dos hojas se encontrarían en el medio.

En la versión de prueba de concepto que construyó el equipo, solo uno de los dos lados de la batería está compuesto de líquido que fluye, mientras que el otro lado 攁 hoja de litio 攊 está en forma sólida. El equipo decidió probar el concepto en una forma más simple antes de hacer su objetivo final, una versión donde ambos lados (los electrodos positivo y negativo) son líquidos y fluyen uno al lado del otro a través de una abertura mientras están separados por una membrana.

Las baterías sólidas y las baterías líquidas tienen ventajas, dependiendo de sus aplicaciones específicas, dice Chiang, pero “el concepto aquí muestra que no es necesario estar confinado por estos dos extremos. Este es un ejemplo de dispositivos híbridos que se encuentran en algún lugar del medio.”

El nuevo diseño debería hacer posible sistemas de baterías más simples y compactos, que podrían ser económicos y modulares, lo que permitiría la expansión gradual de los sistemas de almacenamiento conectados a la red para satisfacer la creciente demanda, dice Chiang. Dichos sistemas de almacenamiento serán fundamentales para ampliar el uso de fuentes de energía intermitentes, como la eólica y la solar.

Mientras que una batería convencional totalmente sólida requiere conectores eléctricos para cada una de las celdas que componen un sistema de batería grande, en la batería de flujo solo la región pequeña en el centro (el “cuello” del reloj de arena) requiere estos contactos, lo que simplifica enormemente el montaje mecánico del sistema, dice Chiang. Los componentes son lo suficientemente simples como para fabricarlos mediante moldeo por inyección o incluso impresión en 3D, dice.

Además, el concepto básico de la batería de flujo permite elegir de forma independiente las dos características principales de un sistema de batería deseado: su densidad de energía (cuánta energía puede entregar en un momento dado) y su densidad de potencia (cuánta potencia total se puede almacenar en el sistema). Para la nueva batería líquida, la densidad de energía está determinada por el tamaño de la “pila”, los contactos por donde fluyen las partículas de la batería, mientras que la densidad de energía está determinada por el tamaño de sus tanques de almacenamiento. “En una batería convencional, la potencia y la energía son muy interdependientes”, dice Chiang.

La parte más complicada del proceso de diseño, dice, fue controlar las características de la lechada líquida para controlar las tasas de flujo. Los líquidos espesos se comportan un poco como la salsa de tomate en una botella; es difícil que fluya en primer lugar, pero luego, una vez que comienza, el flujo puede ser demasiado repentino. Conseguir el flujo correcto requirió un largo proceso de ajuste fino tanto de la mezcla líquida como del diseño de las estructuras mecánicas.

La tasa de flujo se puede controlar ajustando el ángulo del dispositivo, dice Chiang, y el equipo descubrió que en un ángulo muy poco profundo, cerca de la horizontal, “el dispositivo funcionaría de manera más eficiente, a una tasa de flujo muy constante pero baja. ” El concepto básico debería funcionar con muchas composiciones químicas diferentes para las diferentes partes de la batería, dice, pero “elegimos demostrarlo con una química en particular, una que entendimos de trabajos anteriores. No estamos proponiendo esta química en particular como el juego final “.

Venkat Viswanathan, un científico investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que no participó en este trabajo, dice: “Los autores han podido construir un puente entre los campos generalmente dispares de la mecánica de fluidos y la electroquímica”, y al hacerlo desarrollaron un prometedor nuevo enfoque para el almacenamiento de baterías. “El bombeo representa una gran parte del costo de las baterías de flujo”, dice, “y este nuevo diseño sin bomba realmente podría inspirar una clase de baterías de flujo de accionamiento pasivo”.


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