¿Qué es una batería de flujo?
Un periodista pasa junto a un dispositivo de batería de flujo en Japón.
A medida que las reservas de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural disminuyen gradualmente, el efecto invernadero causado por la quema de combustibles fósiles se vuelve cada vez más grave. Los gobiernos de todo el mundo han puesto en riesgo su desarrollo y utilización. nueva energía en su importante agenda. Con el aumento de la atención de la gente y el avance de las tecnologías relacionadas, las fuentes de energía renovables como la energía solar y la energía eólica representan una proporción cada vez mayor en el suministro de energía.
Sin embargo, en comparación con la generación de energía térmica tradicional, estas nuevas formas de energía tienen un defecto inherente, es decir, su funcionamiento normal está limitado por las condiciones naturales, lo que a menudo resulta en una producción de energía eléctrica que no satisface las necesidades. de usuarios. Por ejemplo, cuando se utiliza energía solar para alimentar una zona residencial, la mayoría de los residentes no están en casa durante el día y la energía generada por las células solares excede la demanda y se desperdicia por la noche, cuando los residentes regresan a casa después de salir del trabajo; El consumo aumenta considerablemente, pero en este momento las células solares no pueden proporcionar energía normal.
Para resolver el problema de la nueva energía inestable, generalmente necesitamos proporcionar un determinado sistema de almacenamiento de energía para cooperar con ella. Cuando la capacidad de generación de energía excede las necesidades reales, el exceso de energía eléctrica se puede convertir en energía eléctrica. otras formas de energía para almacenamiento, cuando la capacidad de generación de energía no puede satisfacer las necesidades, la energía almacenada se puede convertir nuevamente en energía eléctrica. Se puede decir que el desarrollo de tecnología de almacenamiento de energía que respalde la nueva energía es tan importante como el desarrollo de la nueva tecnología energética en sí.
Entonces, ¿cómo almacenar el exceso de energía? Al construir centrales eléctricas de almacenamiento por bombeo, podemos utilizar el exceso de energía eléctrica para mover agua de lugares bajos a lugares altos, es decir, convertir la energía eléctrica en energía potencial gravitacional del agua y luego dejar que el agua caiga desde lugares altos cuando la energía La capacidad de suministro es insuficiente. Convertir la energía potencial del agua en energía eléctrica. También podemos utilizar el exceso de energía eléctrica para comprimir aire y liberar el aire comprimido para impulsar un generador para generar electricidad cuando el suministro de energía eléctrica es insuficiente.
Sin embargo, aunque estas tecnologías pueden convertir la energía eléctrica en otras formas de energía para almacenamiento, todavía existen algunas limitaciones en las aplicaciones prácticas. Por ejemplo, la construcción de centrales eléctricas de almacenamiento por bombeo suele depender de un determinado terreno. Por eso, la gente prefiere utilizar baterías para completar esta tarea, es decir, convertir la energía eléctrica en energía química y almacenarla. En particular, las baterías secundarias que pueden cargarse y descargarse repetidamente, también conocidas como baterías de almacenamiento, son la mejor opción como nuevas fuentes de energía auxiliares.
Pero en la práctica, la gente descubrió que la "vieja revolución" encontró nuevos problemas, pero muchas tecnologías de baterías maduras tenían deficiencias. Entonces ¿cuál es la razón? Esto comienza con la estructura de las baterías comunes.
Tomemos como ejemplo las baterías de plomo-ácido que se utilizan a menudo en los automóviles. Su estructura básica consiste en insertar electrodos hechos de dióxido de plomo y plomo metálico en una solución diluida de ácido sulfúrico. Cuando se enciende el circuito, el dióxido de plomo del electrodo positivo gana electrones y se convierte en sulfato de plomo, y el plomo del electrodo negativo pierde electrones y se convierte en sulfato de plomo. Cuando los sólidos de plomo y dióxido de plomo se convierten en sulfato de plomo, notamos una batería agotada.
Si conectamos el sulfato de plomo en ambos lados a una fuente de alimentación externa en este momento, bajo la acción de la corriente, el sulfato de plomo conectado al polo positivo de la fuente de alimentación pierde electrones y se convierte en dióxido de plomo. , mientras que el sulfato de plomo conectado al polo negativo de la fuente de alimentación gana electrones y se convierte en plomo. Si se retira la fuente de alimentación externa, el plomo y el dióxido de plomo pueden reaccionar químicamente para liberar energía eléctrica, lo que significa que la batería vuelve a estar completamente cargada.
Además de las baterías comunes como las de plomo-ácido, las de níquel-cadmio, las de iones de litio y las baterías desechables como las de carbono-zinc (baterías secas), los materiales que componen el positivo y los electrodos negativos no sólo sirven como conductores para transmitir corriente, sino que también participan en reacciones electroquímicas. En otras palabras, los electrodos sólidos constituyen el portador del almacenamiento de energía de la batería. El beneficio es obvio: la batería se puede diseñar para que sea pequeña y compacta, lo cual es muy adecuado para dispositivos portátiles "de tierra y dinero".
Sin embargo, la aplicación de baterías tradicionales al almacenamiento de nueva energía ha encontrado grandes problemas: la inestabilidad del nuevo suministro de energía significa que los equipos de almacenamiento de energía deben poder ajustar de manera flexible la cantidad total de energía a almacenar. y potencia de energía proporcionada. Pero para las baterías tradicionales que dependen de electrodos sólidos, la cantidad de energía que la batería puede almacenar y la cantidad de energía que puede liberar se fija en el momento en que se empaqueta y envía desde la fábrica, lo que dificulta a los usuarios realizar ajustes según sea necesario.
Entonces, ¿cómo superar esta deficiencia? La solución es que el electrodo sólido sólo se encarga de transmitir corriente, y la tarea de almacenar energía eléctrica la realiza el reactivo líquido. Éste es el principio básico de la batería de flujo. Por ejemplo, la batería de flujo redox totalmente de vanadio que se ha desarrollado completamente tiene una estructura básica de una cavidad separada por una membrana de permeabilidad selectiva, con electrodos sólidos en ambos lados de la cavidad. Si agregamos soluciones ácidas que contienen dos iones de vanadio diferentes en ambos lados de la cavidad, cuando la batería se descarga, se producirán las siguientes reacciones en las dos etapas:
El resultado general son dos tipos de vanadio- que contiene iones. El compuesto se convierte en otros dos compuestos de vanadio, y la energía eléctrica generada por la reacción se envía continuamente al circuito externo a través de los electrodos. Cuando la batería está cargada, la reacción anterior se invierte.
Principio básico de la batería de flujo: En el interior de la batería, los reactivos del ánodo y del cátodo están separados por una membrana semipermeable. Independientemente de la carga o descarga, todas las reacciones químicas ocurren en solución.
Una vez completada la reacción, la solución se puede bombear fuera de la batería y la nueva solución a reaccionar se puede inyectar en la batería desde el tanque de almacenamiento. La imagen está citada de la referencia [1]
Ya sea que se esté cargando o descargando, siempre que se complete la reacción, la conversión de energía llega a su fin. Pero a diferencia de las baterías tradicionales, con las baterías de flujo podemos bombear la solución convertida fuera de la batería e inyectar la solución sin reaccionar en la batería para que el proceso de carga o descarga pueda continuar. La conversión de energía de este tipo de batería ya no se basa en electrodos sólidos, sino en el flujo de líquido, de ahí el nombre de batería de flujo.
En comparación con las baterías tradicionales que utilizan electrodos sólidos, las baterías de flujo tienen una clara ventaja: brindan a los usuarios más libertad para ajustar el rendimiento de la batería. Si necesita aumentar la capacidad de almacenamiento de energía de la batería, no necesita cambiar la estructura de la batería. Solo necesita conectar más tanques de almacenamiento que contengan soluciones de iones de vanadio o aumentar la concentración de iones de vanadio en la solución. ¿Qué pasa si necesito aumentar la potencia de salida de la batería? No es difícil de hacer, solo necesitas conectar varias baterías idénticas para aumentar el área de contacto de las dos soluciones y permitir que más soluciones experimenten reacciones químicas por unidad de tiempo. La flexibilidad de uso permite que las baterías de flujo realicen mejor sus funciones de almacenamiento de energía.
Baterías de flujo totalmente de vanadio combinadas con células solares
En comparación con las baterías tradicionales, las baterías de flujo también tienen una ventaja significativa: son más fáciles de mantener. Como mencionamos anteriormente, los materiales que componen los electrodos sólidos de las baterías tradicionales siempre se convierten en otra sustancia al descargarse, y vuelven a la sustancia original al cargar, como es el caso de la conversión entre plomo y sulfato de plomo en las baterías de plomo-ácido, níquel. Conversión entre cadmio metálico e hidróxido de cadmio en baterías de cadmio. Sin embargo, lo que sucede en las operaciones reales a menudo no es tan simple como lo que está escrito en la fórmula de la reacción química. Por ejemplo, después de un ciclo de carga-descarga, el material sólido que constituye el electrodo vuelve a su composición química original, pero su estructura puede haber cambiado, lo que inevitablemente afectará el rendimiento de la batería e incluso puede provocar un accidente de seguridad. Por el contrario, en una batería de flujo, las reacciones químicas ocurren en una solución y el electrodo sólido solo es responsable de transmitir corriente y se ve menos perturbado por diversas reacciones secundarias. Como resultado, las baterías de flujo a menudo pueden soportar más ciclos de carga y descarga que las baterías tradicionales y mantener su rendimiento prácticamente sin verse afectado.
Después de hablar de tantas ventajas de las baterías de flujo, también deberíamos hablar de sus limitaciones. Dado que la energía ya no se almacena en materiales sólidos como las baterías tradicionales, una desventaja inevitable de las baterías de flujo es que la energía eléctrica por unidad de masa se reducirá considerablemente, porque no importa cuán alta sea la concentración de la solución, todavía habrá una gran cantidad de energía. Cantidad de solvente para almacenar energía eléctrica. Sin aporte. Como una billetera del mismo tamaño. Una persona pone billetes en él y la otra, además de billetes, pone papel higiénico. Cuando dos personas van de compras juntas, es evidente quién compra más. Por ejemplo, la batería de flujo totalmente de vanadio mencionada anteriormente, la batería de iones de litio por unidad de masa solo puede proporcionar alrededor del 20% de la energía [1]. Incluso si las baterías de flujo no se utilizan en dispositivos portátiles, la gente quiere que sean lo más pequeñas posible. Además, cómo utilizar materiales más baratos para reducir el coste de las baterías de flujo también es una dirección importante para los investigadores.
Por supuesto, tener defectos no es terrible. La clave es cómo superar gradualmente estas deficiencias mediante el avance tecnológico. De hecho, la tecnología de baterías de flujo apareció ya en la década de 1970, pero sólo en los últimos años la gente se dio cuenta de su valor. En la actualidad, la investigación sobre baterías de flujo se ha convertido en un campo muy candente. Se cree que en un futuro próximo, esta tecnología de batería única podrá desempeñar un papel más importante en la solución de los problemas energéticos humanos.
Referencias
[1] Bruce Dunn, Haresh Kamath, Jean-Marie Tarascon, "Almacenamiento de energía eléctrica para la red: selección de baterías", Science, 2011, 334, 928
(Autor: Wei Xinyu)