Baterías de flujo redox sin ánodo capaces de ciclos rápidos

Las baterías de flujo redox que incorporan materiales sólidos de almacenamiento de energía resultan atractivas para el almacenamiento de energía a escala de red de alta capacidad debido a sus elevadas densidades energéticas teóricas. Sin embargo, su aplicación práctica se ve frenada por su baja capacidad de tasa.

Ahora, un grupo de investigadores dirigido por Sandia National Laboratories, con sede en Albuquerque, ha demostrado una batería de flujo mediada por redox de litio y azufre que utiliza un andamiaje de litio de gran superficie para permitir ciclos incluso 10 veces más rápidos.

En su investigación anterior, el grupo había diseñado una batería de flujo híbrida de litio-azufre mediada por redox que contenía un ánodo metálico de litio y azufre en el depósito de catolito. Sin embargo, habían observado que la velocidad de carga estaba limitada por el crecimiento de dendritas en el ánodo de litio.

Este problema, común a muchas baterías de flujo redox basadas en metales de litio, impone considerables restricciones de diseño. En concreto, la velocidad de carga limitada aumenta el tamaño mínimo requerido de la celda electroquímica para una potencia determinada y encarece los costes del sistema.

Para hacer frente a estas limitaciones, los investigadores han sustituido el ánodo planar de litio en las baterías de flujo redox mediadas por azufre de litio por un andamiaje de alta superficie, que permitió ciclos 10 veces más rápidos, de hasta 10 mA cm-2, en comparación con los mismos sistemas con ánodos planares, sin cortocircuitos ni inestabilidad de voltaje.

En su último estudio, los investigadores probaron primero la espuma de níquel de alta superficie en celdas simétricas de litio/litio y después en una batería de flujo redox prelitiada completa.

Además, mejoraron el rendimiento de la célula añadiendo óxido de zinc a la espuma de níquel, que favorece una mejor humectación del litio, lo que mejora la eficiencia coulómbica de las células.

Por último, demostraron que el uso del andamiaje de óxido de zinc y espuma de níquel también permite construir las baterías de flujo redox en una configuración “sin ánodo”, lo que mejora la seguridad y reduce el coste de montaje y envío de una batería.

Y lo que es más importante, estas celdas mejoradas también han demostrado su escalabilidad. En concreto, cuando se aumenta la carga de azufre de 2,4 a 5 mg cm-2 también se incrementa la capacidad. De hecho, con cargas de 5 mgS cm-2, la densidad de potencia de su batería de flujo redox superaba los 20 Wh L-1, lo que la hacía comparable a las baterías de flujo redox de vanadio.

“Habiendo abordado las limitaciones del ánodo de Li, ahora hay más margen para mejorar el sistema investigando las limitaciones cinéticas de la reacción Li-S y el desvanecimiento de la capacidad causado por el desplazamiento del polisulfuro”, escriben los investigadores. “La rapidez de los ciclos y la escalabilidad del sistema demuestran que es viable para el almacenamiento de energía a escala de red en el futuro”.

Sus hallazgos se analizan en “Fast cycling of ‘anode-less’ redox-mediated Li-S flow batteries” (Ciclado rápido de baterías de flujo Li-S “sin ánodo” mediadas por redox), publicado en la revista Journal of Energy Storage.