Investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho (un laboratorio del Departamento de Energía de los Estados Unidos), han logrado avanzar en cuanto a los desafíos que presenta el almacenamiento de energía en hidrógeno, gracias a la creación de un nuevo electrodo
Si bien las fuentes de energía renovable como la eólica y la energía solar son excelentes para producir electricidad libre de emisiones, dependen del sol y el viento, por lo que el suministro no siempre satisface la demanda. Del mismo modo, las centrales nucleares operan de manera más eficiente a su máxima capacidad, de modo que la generación de electricidad no se puede aumentar o disminuir fácilmente para satisfacer la demanda.
Durante décadas, los investigadores de energía han tratado de resolver un gran desafío: ¿cómo se almacena el exceso de electricidad para que pueda liberarse nuevamente a la red eléctrica cuando sea necesario?
Recientemente, los investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho (Idaho National Laboratory, INL, por sus siglas en inglés) ayudaron a responder a ese desafío desarrollando un nuevo material de electrodo para una celda electroquímica que puede convertir eficientemente el exceso de electricidad y agua en hidrógeno. Cuando aumenta la demanda de electricidad, la celda electroquímica es reversible, convirtiendo el hidrógeno nuevamente en electricidad para la red. El hidrógeno también podría usarse como combustible para calor, vehículos u otras aplicaciones.
Los resultados aparecieron en línea esta semana en la revista Nature Communications.
Los investigadores han reconocido durante mucho tiempo el potencial del hidrógeno como medio de almacenamiento de energía, dijo Dong Ding, ingeniero/científico sénior y líder del grupo de procesamiento químico en INL.
“El gran desafío del almacenamiento de energía, con sus diversas necesidades de investigación y desarrollo, dio lugar a más oportunidades para el hidrógeno”, dijo Ding. “Estamos apuntando al hidrógeno como el intermediario energético para almacenar energía de manera eficiente”.
Ding y sus colegas mejoraron un tipo de celda electroquímica llamada celda electroquímica de cerámica protónica (PCEC), que usa electricidad para dividir el vapor en hidrógeno y oxígeno.
Sin embargo, en el pasado, estos dispositivos tenían limitaciones, especialmente el hecho de que funcionan a temperaturas de hasta 800 grados C. Las altas temperaturas requieren materiales caros y resultan en una degradación más rápida, lo que hace que las células electroquímicas sean prohibitivas.
En el documento, Ding y sus colegas describen un nuevo material para el electrodo de oxígeno, el conductor que facilita la división del agua y las reacciones de reducción de oxígeno simultáneamente. A diferencia de la mayoría de las celdas electroquímicas, este nuevo material, un óxido de un compuesto llamado perovskita, permite que la célula convierta hidrógeno y oxígeno en electricidad sin hidrógeno adicional.
Anteriormente, Ding y sus colegas desarrollaron una arquitectura de malla 3D para el electrodo que hizo que hubiera más superficie disponible para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Juntas, las dos tecnologías, el electrodo de malla 3D y el nuevo material del electrodo, permitieron una operación autosostenible y reversible a 400 a 600 grados C.
“Demostramos la viabilidad del funcionamiento reversible del PCEC a temperaturas tan bajas para convertir el hidrógeno generado en modo de hidrólisis en electricidad, sin ningún suministro externo de hidrógeno, en una operación autosostenible”, dijo Ding. “Es un gran paso para la electrólisis a alta temperatura”.
Mientras que los electrodos de oxígeno pasados solo conducían electrones e iones de oxígeno, la nueva perovskita es de “triple conducción”, dijo Ding, lo que significa que conduce electrones, iones de oxígeno y protones. En términos prácticos, el electrodo de triple conducción significa que la reacción ocurre más rápido y de manera más eficiente, por lo que la temperatura de funcionamiento se puede reducir mientras se mantiene un buen rendimiento.
Figura 1. El nuevo óxido de triple conducción permite el paso de protones, iones de oxígeno y electrones, lo que permite la generación de hidrógeno o electricidad a través de la operación reversible en una celda electroquímica de cerámica protónica.
Para Ding y sus colegas, el truco consistía en descubrir cómo agregar el elemento al material del electrodo de perovskita que le otorgaría las propiedades de triple conducción, un proceso llamado dopaje.
“Hemos demostrado con éxito una estrategia efectiva de dopaje para desarrollar un buen óxido de triple conducción, que permite un buen rendimiento celular a temperaturas reducidas”, dijo Hanping Ding, científico e ingeniero de materiales del Grupo de Procesamiento Químico del Laboratorio Nacional de Idaho.
En el futuro, Dong Ding y sus colegas esperan continuar mejorando la celda electroquímica combinando la innovación de materiales con procesos de fabricación de vanguardia para que la tecnología pueda usarse a escala industrial.
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