El constante aumento del consumo de energía, principalmente basado en combustibles fósiles, está causando un aumento alarmante de las emisiones de CO2, causando un gran impacto en el cambio climático. La alternativa podría ser la utilización de fuentes de energía renovables, pero su intermitencia dificulta su uso.
Los sistemas de almacenamiento electroquímico en general, y las baterías en particular, se presentan como la mejor solución a este inconveniente. Investigadores estan trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para su uso en baterías, y de esta manera proporcionar al mercado una prometedora tecnología como alternativa a las baterías de litio ion para el almacenamiento en Smart Grids de bajo coste con un mejor ciclo de vida.
Nuevas baterías de almacenamiento
El creciente despliegue de fuentes de energía renovables como la energía solar y eólica requiere un aumento proporcional de la capacidad de almacenamiento de energía para integrarlas en la red eléctrica. La combinación de estas fuentes con la red energética es especialmente difícil debido a la gran y rápida variabilidad en su producción. Los picos intermitentes o gotas de potencia deben ser suavizados para duraciones tan cortas como unos segundos, mientras que el equilibrio de carga es necesario para contrarrestar las fluctuaciones diurnas.
Por ello, se hace necesario un almacenamiento económico de energía que tenga una respuesta rápida, una vida útil prolongada, una alta potencia y una alta eficiencia energética, que puedan distribuirse a través de la red para permitir una amplia penetración de energía solar, eólica y otras fuentes de energía variables.
Las tecnologías convencionales de almacenamiento de energía luchan para satisfacer las necesidades de la red. Prácticamente, toda la capacidad de almacenamiento de energía actualmente en la red es proporcionada por la energía hidroeléctrica bombeada, que requiere una inmensa inversión de capital, depende de la localización y sufre una baja eficiencia energética. El almacenamiento de energía de aire comprimido también depende del sitio y debe ser soportado por una planta de combustión de combustibles fósiles. Los volantes mecánicos ofrecen alta potencia y eficiencia, pero son demasiado caros.
Por otro lado, varias tecnologías de baterías han visto un despliegue limitado en la red. Las células ácidas con plomo son las menos costosas, pero tienen una profundidad de descarga, duración del ciclo y eficiencia limitada. Las baterías de sodio-azufre, sodio-haluro metálico y flujo redox funcionan sólo a bajas tasas y tienen una baja eficiencia energética. Así mismo, las baterías de iones de litio y níquel / hidruro metálico usadas en vehículos eléctricos son actualmente demasiado costosas para su uso en escalas más grandes.
En los últimos años, muchos materiales han sido propuestos como posibles cátodos para baterías de Na-ion, aunque los más prometedores y en los cuales se están centrando más esfuerzos en el CICe son los óxidos laminares, los compuestos polianiónicos y el “Azul de Prusia” y sus análogos.
Hemos explorado una variedad de nuevas químicas acuosas de baterías de álcali-ión. Estos son potencialmente ventajosos debido a la seguridad, alta conductividad iónica y bajo coste de los electrolitos acuosos. Se han explorado las baterías acuosas de iones de litio que utilizan materiales catódicos adoptados a partir de células de electrólito orgánico comercializadas, pero en general han mostrado una vida útil limitada. Se ha demostrado que las células acuosas de sodio que utilizan un cátodo Na x MnO2 y un ánodo capacitivo de carbono ofrecen una larga duración del ciclo, pero tienen una capacidad de velocidad limitada. Estas tecnologías acuosas se han limitado principalmente por el desarrollo de materiales de ánodo que tienen el potencial correcto y que son químicamente estables al electrolito deseado.
Recientemente, hemos desarrollado una familia de materiales de nanopartículas de estructura abierta con la estructura cristalina de Prusia Azul. Estos materiales tienen una estructura cristalina de estructura abierta que contiene grandes sitios intersticiales que permiten la rápida inserción y extracción de Na + y / o K + con muy poca deformación cristalográfica. Por ejemplo, el hexacianoferrato de cobre (CuHCF) reacciona con K + mediante una reacción de inserción monofásica.
Los electrodos CuHCF son prometedores para aplicaciones de almacenamiento de energía a escala de red debido a su ciclo de vida ultra-largo (83% de retención de capacidad después de 40.000 ciclos), alta potencia (67% de capacidad a 80C), alta eficiencia energética y potencialmente un costo muy bajo.
Un ánodo para funcionar en el mismo electrolito que el cátodo CuHCF debe ser químicamente estable en soluciones ácidas y tener preferiblemente un potencial cercano a -0,1 V frente al electrodo estándar de hidrógeno (SHE), el límite termodinámico para la descomposición de agua A este pH. Además, un ánodo útil debe tener una vida útil de ciclo muy larga y una capacidad de alta velocidad para adaptarse a las propiedades notables del cátodo CuHCF. Además de K +, CuHCF también puede reaccionar con iones alcalinos, tales como Li + y Na +, por lo que un ánodo capaz de reaccionar con cualquiera de estos iones podría ser utilizado. Una opción intuitiva sería otro análogo de Azul Prusiano con un potencial de reacción cerca del SHE. Sin embargo, la reducción del azul de Prusia a la sal de Everitt tiene un potencial demasiado alto (0,45 V frente a SHE) y otros análogos de Azul Prusiano que contienen hexacanomanganato y hexacicocromato electroquímicamente activos son químicamente inestables.
La nueva clase de ánodos que son compatibles con nuestros materiales CuHCF tiene una estructura abierta en electrolitos acuosos. Estos ánodos se basan en un electrodo híbrido que funciona mediante un nuevo concepto fundamental; Es decir, combinando un material de electrodo (polipirrol, PPy), que es capaz de una reacción faradaica a un potencial fijo con un electrodo capacitivo (carbón activado, AC), se puede controlar el potencial de todo el electrodo.
Fundamentalmente diferente de los electrodos tradicionales de batería y capacitivos, nuestro nuevo electrodo híbrido tiene la capacidad de alta velocidad de un ultra-condensador, pero con el potencial bien definido de un electrodo de batería. Este electrodo híbrido tiene un atractivo potencial de circuito abierto (OCP), sintonizable a -0,2 V frente a SHE, un perfil de carga / descarga poco profundo y baja autodescarga.
Además, demostramos que una célula completa con este ánodo híbrido y un cátodo CuHCF proporciona un rendimiento que es prometedor para aplicaciones de almacenamiento estacionario a gran escala, tales como alta potencia y eficiencia energética, y una vida útil de miles de ciclos.
