Pilas de zinc-ión sostenibles para la transición energética
El proyecto de investigación aspira a una rápida implantación industrial
Los sistemas estacionarios de almacenamiento de energía destinados a aliviar la red eléctrica pública durante los picos de carga desempeñan un papel importante en la aplicación de la transición energética. Las baterías de iones de zinc han sido objeto de atención para estas y otras aplicaciones durante algún tiempo, pero hasta ahora sin éxito comercial. El proyecto de investigación financiado por el BMBF "Baterías acuosas de iones de zinc ZIB2" investiga ahora cómo puede tener éxito una aplicación industrial. El uso de materiales no críticos y de bajo coste, el aumento de la eficiencia y la prolongación de la vida útil, así como la aplicación de diseños de celdas industriales, son los objetivos científicos centrales del proyecto.
Las pilas acuosas de iones de zinc (ZIB) suelen considerarse una tecnología ecológica de almacenamiento de energía porque su química celular se basa en zinc suficientemente disponible. Estas pilas se consideran seguras, ecológicas y económicas. Además, no hay riesgo de explosión o incendio porque el agua es un componente esencial de la célula. Aunque los sistemas ZIB ya han alcanzado un alto nivel de madurez tecnológica, la tecnología aún no ha podido establecerse en amplios campos de aplicación en comparación con la batería de iones de litio (LIB). Sin embargo, a medida que crece la demanda de tecnologías de almacenamiento sostenibles, los sistemas alternativos como la ZIB cobran cada vez más protagonismo. El lanzamiento al mercado de la tecnología de iones de zinc se está viendo acelerado por el constante aumento de la demanda de almacenamiento de energía, la creciente escasez de materias primas para los sistemas establecidos y el deseo de un mayor respeto por el medio ambiente y la sostenibilidad. Así, las ZIB se están convirtiendo en una alternativa real a la tecnología LIB dominante, especialmente en el campo del almacenamiento estacionario.
Estado de la técnica y retos técnicos de las pilas de zinc-ión
Los conceptos modernos de pilas de iones de zinc consisten, por un lado, en un electrodo positivo con diversos materiales posibles, como óxidos de manganeso, óxidos de vanadio o análogos del azul de Prusia (PBA) como el hexacianoferrato de cobre y, por otro, en un electrodo negativo de zinc metálico. Esto se complementa con el uso de agua como electrolito, lo que aumenta enormemente la seguridad intrínseca del sistema ZIB.
La rentabilidad, la economía, la seguridad y la sostenibilidad son hoy las fuerzas motrices a la hora de elegir un sistema de almacenamiento en baterías adecuado para aplicaciones estacionarias, como el almacenamiento del excedente de energía solar o eólica. A diferencia de las tecnologías establecidas, como la LIB, los sistemas acuosos de zinc-ión satisfacen plenamente los requisitos críticos del mercado mencionados. Gracias a su gran respeto por el medio ambiente, a los electrolitos y materiales acuosos y no tóxicos utilizados, a la elevada potencia específica esencial para las aplicaciones en redes eléctricas y al bajo coste debido a la buena disponibilidad de zinc, los ZIB representan un enfoque atractivo para resolver el problema actual y futuro del almacenamiento de energía.
Los materiales catódicos PBA abordados en ZIB2 se caracterizan por sus bajas pérdidas de energía y su capacidad de carga y descarga rápidas. Esto los hace especialmente relevantes para aplicaciones en el sector del almacenamiento estacionario de energía, donde es necesario reaccionar con rapidez ante cualquier pico de carga en la red eléctrica para evitar cortes generalizados de suministro. Otra ventaja de los materiales catódicos PBA es su síntesis sencilla, escalable y rentable. Su rápida comercialización permite producir grandes cantidades de electrodos y transformarlos en numerosas celdas en función de la demanda. Una de las principales desventajas de los sistemas PBA ha sido su corta vida útil, de sólo 300 ciclos (carga y descarga). Sin embargo, los socios del proyecto del consorcio ZIB2 ya han sido capaces de aumentar la vida útil de las ZIB basadas en PBA hasta 800 ciclos modificando inteligentemente la respectiva estructura de PBA. En el proyecto actual se están aplicando estrategias adicionales para aumentar el rendimiento de la tecnología ZIB y permitir así un rápido uso de las células desarrolladas en escenarios de aplicación reales.
Mejora de la vida útil y la eficiencia gracias a materiales y conceptos de célula innovadores
Para aumentar aún más la vida útil y la eficiencia de las pilas de zinc-ión, los socios del proyecto están sintetizando, caracterizando y optimizando nuevos materiales, tanto para el ánodo como para el cátodo. Además, se están produciendo y estudiando en detalle nuevas composiciones de electrolitos. Además, se identificarán y analizarán los mecanismos de envejecimiento que se producen en los electrodos y que pueden perjudicar la vida útil de los ciclos largos de las pilas. Esto proporcionará pistas para una mayor optimización de la interacción entre los electrodos y el electrolito. Tras la identificación de materiales y combinaciones de materiales prometedores, se desarrollarán, producirán y probarán varios diseños de celdas orientados a la industria con el fin de determinar el diseño óptimo para un producto final listo para la producción. También se abordarán distintos procesos de fabricación, como la impresión de ZIB. Por último, todos los materiales de partida, componentes de celdas y procesos de fabricación se someterán a una detallada evaluación económica y ecológica para determinar todo el potencial de mercado de esta novedosa tecnología de baterías y demostrar la viabilidad económica y el respeto al medio ambiente del sistema ZIB.
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