¿Pueden las baterías de flujo líquido reemplazar las baterías de iones de litio?

Un equipo de la Universidad de Harvard ha desarrollado un nuevo tipo de batería de flujo de líquido. El equipo dijo que las baterías de flujo líquido podrían usarse no solo en teléfonos inteligentes sino también en nuevas aplicaciones de energía, incluida la energía renovable. En la era móvil, la tecnología de la batería se ha convertido en una prioridad absoluta, e incluso no existe una era móvil sin baterías. Sin embargo, existen problemas como una resistencia débil en las baterías de los dispositivos móviles. El avance de la tecnología de la batería siempre ha sido un problema de vanguardia, que ha limitado el desarrollo de la era móvil. Así que los investigadores han estado explorando fuentes de energía más eficientes para la generación de energía con la esperanza de mejorar la resistencia.

De hecho, las baterías de flujo líquido no son tecnologías nuevas y existen desde la década de 1960. En comparación con las baterías de litio, las baterías de flujo líquido tienen algunas ventajas. Sin embargo, esta tecnología se encuentra en la etapa de investigación y desarrollo y no se ha puesto en práctica. La razón son sus propias limitaciones. A pesar de los obstáculos, la exploración debe continuar. Si bien los humanos usan tecnologías de baterías nuevas relativamente sólidas, también buscan constantemente energía más limpia para actualizar las tecnologías de baterías.

Primero, las características de las baterías de flujo líquido determinan las ventajas y, en algunos aspectos, son mejores que las baterías de litio.

El equipo de Harvard estaba dirigido por Michael Aziz, profesor de tecnología de materiales y energía, y Roy Gordon, profesor de química y ciencia de los materiales. La nueva batería de flujo líquido que estudiaron se basa en una molécula orgánica en una solución acuosa de pH neutro para la generación de energía, y su seguridad y vida útil son mejores que las de los productos de batería actuales.

De hecho, el campo de la batería de flujo de líquido no se considera un "terreno baldío". En la década de 1960, la batería Redox del sistema de hierro-cromo ya había aparecido y podría considerarse como la predecesora de la batería de flujo líquido completamente de vanadio. Después de años de investigación y desarrollo, la tecnología ha avanzado mucho y se espera que se ponga en uso comercial. En comparación con las baterías de iones de litio, esta batería de flujo líquido tiene una ventaja.

Primero, su tamaño puede ser grande o pequeño y su diseño es flexible.

Para los sistemas de almacenamiento de energía, los factores más importantes son la electricidad y la energía. En general, las baterías de flujo líquido de vanadio pueden soportar energía dependiendo del tamaño del reactor, y la cantidad de electricidad es proporcional al tamaño del tanque de almacenamiento de energía. Independientemente de los requisitos del proyecto para el sistema de almacenamiento de energía, el diseñador puede realizar de manera flexible el diseño correspondiente y puede ajustarlo en cualquier momento.

Por otro lado, las baterías de iones de litio están recubiertas con materiales de almacenamiento de energía en la superficie del colector para formar electrodos. Sus procesos y propiedades son fijos y es difícil de ajustar según proyectos específicos. Bajo las dos proporciones relativas, las ventajas de las baterías de flujo líquido son obvias.

Más importante aún, las baterías de flujo de líquido son extensibles. La batería de flujo de líquido tiene casi la misma estructura y método de control independientemente de la cantidad de almacenamiento. Siempre que el electrolito de almacenamiento de energía se mezcle de manera uniforme, se puede garantizar que el SOC (profundidad de carga y descarga) sea constante.

Si desea hacer baterías de litio del mismo tamaño, debe apilar la cantidad de baterías y usar un BMS (sistema de administración de baterías) extremadamente complejo para administrar la temperatura y el SOC de cada batería. Con un poco de descuido, la sobrecarga, la descarga excesiva y el sobrecalentamiento pueden provocar el desguace de la batería e incluso el peligro, razón por la cual las baterías de los teléfonos inteligentes a veces explotan.

En segundo lugar, la larga vida útil de las baterías de flujo líquido.

En la actualidad, la vida útil de las baterías de litio en el mercado es de aproximadamente 1000 ~ 5000 veces. El principal principio de almacenamiento de energía es la incrustación y desintercalación en electrodos de estado sólido, que es propenso a agrietarse y termina la vida útil de la batería.

El mecanismo de carga y descarga de las baterías de flujo de líquido se basa en cambios de valencia, en lugar de cambios físicos en las baterías ordinarias, por lo que la vida útil es extremadamente larga. Además, debido a la separación de las membranas de intercambio iónico entre los polos positivo y negativo, las baterías de flujo de líquido completamente de vanadio evitan la posibilidad de infección cruzada de electrolitos positivos y negativos debido a la mezcla, que es más larga que otras baterías de flujo de líquido.

En tercer lugar, la seguridad de las baterías de flujo líquido es extremadamente alta.

Como se mencionó en el primer punto, las características de las baterías de flujo líquido garantizan su seguridad. No hay riesgos de incendio o explosión, y no habrá problemas de seguridad incluso si hay una gran corriente.

Además, la eficiencia energética de las baterías de flujo líquido es tan alta como del 75% al 80%, la velocidad de arranque es de solo 0.02 S y los componentes de la batería son en su mayoría materiales de carbono baratos sin la necesidad de metales preciosos como catalizadores.

En la actualidad, las empresas que producen baterías de flujo líquido de vanadio en todo el mundo incluyen principalmente UniEnergyTechnologies de los Estados Unidos, Gildemeister de Austria, Sumitomo Electric Co., Ltd. de Japón y Dalian Rongke Energy Storage Technology Development Co., Ltd. de China.

Entre ellos, Rongke Energy Storage Co., Ltd.tiene una capacidad instalada total de más de 12 MW de baterías de flujo líquido completamente de vanadio, lo que representa el 40% de la capacidad instalada total del mundo, y también tiene la primera gran capacidad de 5 MW del mundo. -Dispositivo de almacenamiento de energía industrial a escala que está realmente conectado a la red. Esto significa que los indicadores de China se encuentran en el nivel líder mundial.

Aunque las baterías de flujo líquido tienen tantas ventajas y tienen una cierta escala de producción y aplicación, todavía no han tenido insumos comerciales a gran escala y no han ingresado al mercado de consumo debido a las limitaciones de las propias baterías de flujo líquido.

En segundo lugar, las baterías de flujo líquido no se han podido comercializar y tienen muchas limitaciones.

Como sistema de almacenamiento de energía, las baterías de flujo líquido aún se encuentran en la etapa experimental en el campo del almacenamiento de energía eólica, y el uso comercial es aún más difícil. Las nuevas baterías de flujo líquido estudiadas anteriormente por la Universidad de Harvard también se encuentran en la etapa de desarrollo. Primero podemos explorar las limitaciones de las principales baterías de vanadio en baterías de flujo líquido.

Teóricamente, los compuestos de vanadio se pueden usar como aditivos en las baterías de litio existentes, lo que es similar al uso del grafeno.

Sin embargo, los iones de vanadio pentavalentes en el electrodo positivo de la batería de vanadio precipitarán una sustancia altamente tóxica llamada pentóxido de vanadio a temperaturas superiores a 45 grados. La precipitación de esta sustancia bloqueará la trayectoria del flujo, cubrirá la fibra de fieltro de carbono, deteriorará el rendimiento del reactor eléctrico y, finalmente, hará que se deseche la batería. Más importante aún, el pentóxido de vanadio, una sustancia altamente tóxica, puede tener graves consecuencias.

Además, las baterías de flujo líquido completamente de vanadio deben invertirse en costos extremadamente altos. Por ejemplo, una batería de flujo de líquido de 5 kilovatios requiere un costo total de 406.000 materiales principales, más insumos adicionales de materiales secundarios y costos de mano de obra.

Finalmente, las baterías de flujo líquido tienen una densidad de energía muy baja, alrededor de 40 Wh / kg, y estas baterías son líquidas, por lo que cubren un área grande.

Basándose en las limitaciones anteriores, las baterías de flujo de líquido son difíciles de aplicar a gran escala y son más difíciles de comercializar.

La exploración de baterías de flujo líquido representa la determinación de la humanidad de buscar continuamente nuevas fuentes de energía, pero esta tecnología aún no está lo suficientemente madura. La tecnología de la batería de grafeno, por el contrario, se ha utilizado en dispositivos inteligentes y los seres humanos buscan constantemente energía más limpia para la generación de energía.

Tercero. La tecnología de batería segura está disponible comercialmente y hay más posibilidades para el futuro

En la tecnología de baterías emergente actual, la tecnología de baterías de grafeno es relativamente segura. A fines del año pasado, Huawei lanzó su primera batería de iones de litio con tecnología de grafeno en la 57a conferencia de baterías de Japón. Este tipo de batería utiliza una nueva tecnología de alta temperatura para aumentar la temperatura superior de las baterías de iones de litio en 10 grados, y su vida útil también es el doble que la de las baterías de iones de litio ordinarias.

El grafeno parece ser más confiable que la nueva batería de flujo que aún está en desarrollo. Por supuesto, el grafeno en sí mismo tiene algunas limitaciones, pero se ha aplicado en dispositivos inteligentes.

Por lo tanto, en la situación actual, el grafeno se utilizará más en la siguiente fase de actualización de la tecnología de la batería. En el desarrollo de la tecnología de baterías, es imposible hacerlo de la noche a la mañana, y una transición gradual a través de tecnología sólida y madura debería lograr mejores resultados.

Por supuesto, esto no quiere decir que el campo de la tecnología de la batería pueda estar estancado por la estabilidad. Por el contrario, para que la tecnología de la batería deje de ser un lastre para el desarrollo de la era móvil, debería ser más audaz utilizar toda la energía posible para impulsar el avance de la tecnología de la batería. Se han realizado estudios relacionados y se ha avanzado.

Por ejemplo, el equipo de investigación de la Universidad de Pensilvania desarrolló recientemente un nuevo método de generación de energía que utiliza la diferencia de concentración entre el dióxido de carbono emitido por la planta de energía de combustibles fósiles y el dióxido de carbono en el aire para generar electricidad. Este dispositivo, denominado "celda de flujo", produce una densidad de potencia media de 0,82 vatios por metro cuadrado, que es unas 200 veces superior al valor obtenido por métodos de aproximación anteriores. Los resultados de la investigación se han publicado en el último número de Environmental Science and Technology.

Del mismo modo, los científicos finlandeses también han logrado algunos avances en el estudio de cómo utilizar la energía cinética, la energía térmica y la energía solar para alimentar equipos. Los investigadores desarrollaron un material ferroeléctrico llamado KBNNO, que convierte el calor y la presión en electricidad. Investigadores de la Universidad de Oulu (Universidad de Loo) en Finlandia utilizaron estructuras de cristal de perovskita para extraer energía de múltiples fuentes de energía y esperan recolectar más energía a través de la investigación.

El proceso de fabricación de dichos equipos no es complejo, y una vez que se encuentren los mejores materiales, será posible comercializar la tecnología en los próximos años. Si eso sucediera, es posible que no tengamos que enchufar dispositivos móviles en los enchufes para cargarlos, sino obtener un flujo constante de electricidad de la energía natural para que sea realmente limpio.

A partir de los resultados anteriores, podemos hacer predicciones optimistas. En el futuro, aparecerán más tecnologías nuevas en el campo de las baterías. Pueden aumentar la tasa de utilización y la resistencia de las baterías. En el desarrollo de la tecnología de baterías e incluso de cualquier tipo de tecnología, es necesario avanzar de manera constante y madura, pero también se necesita una innovación audaz y de vanguardia. La combinación de los dos puede promover mejor el desarrollo de la era móvil.

La página contiene el contenido de la traducción automática.