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Diseño de dispositivos híbridos para almacenamiento de energía

En este artículo* se estudian dispositivos híbridos de almacenamiento electroquímico que cuentan con electrodos compuestos de mezclas de materiales activos utilizados tanto en baterías de Li-ión como en supercondensadores. Esto permite que los electrodos tengan una doble funcionalidad como batería y como supercondensador y en su operación muestran comportamientos de ambos tipos de dispositivos. La composición exacta de los electrodos híbridos se puede adaptar a las demandas de energía y potencia requeridas por el dispositivo en función de su uso previsto. Naturalmente, los electrodos con composición propia de batería serán adecuados para aplicaciones de alta energía, mientras que los electrodos de composición propia de supercondensador para aplicaciones de alta potencia, pero este documento se centra en las opciones intermedias.

Para demostrar el espectro de opciones entre la batería por sí misma y el comportamiento de condensador del electrodo se han utilizado siete combinaciones diferentes de materiales de electrodo. Como material de batería se ha utilizado fosfato de litio y hierro (LiFePO4), como el material de supercondensador se ha utilizado carbón activado, dentro de una celda que contiene un electrolito acuoso de sulfato de litio. Para estudiar en detalle el comportamiento de los electrodos híbridos se han realizado pruebas en una configuración de semicelda con tres electrodos utilizando un electrodo de referencia. Se ha utilizado el protocolo de caracterización de potencia de pulso híbrido (hybrid pulse power characterization, HPPC) para determinar la energía dinámica y las capacidades de potencia de cada composición de electrodo. Se presentan los métodos para extrapolar las mediciones de un solo electrodo a las predicciones de rendimiento de celda completa requeridas por el protocolo HPPC.

Con este ensayo se pueden determinar los factores de escala para cada composición de electrodo que permiten predecir las cantidades totales de materiales activos necesarios para lograr los requisitos de energía y potencia de diferentes aplicaciones de almacenamiento de energía. Estos resultados se utilizan para modelar celdas de almacenamiento de energía con formato 18650 y predecir el tamaño y la masa del sistema completo de almacenamiento de energía. Como conclusión, se comprueba que la composición exacta de los electrodos híbridos se puede adaptar para optimizar el sistema completo de almacenamiento de energía considerando la cantidad de materiales activos, la masa total o el volumen total para cualquier aplicación dada.

(*) Frankforter, K.J., Tejedor-Tejedor, M.I., Anderson, M.A., Jahns, T.M. Investigation of Hybrid Battery/Ultracapacitor Electrode Customization for Energy Storage Applications with Different Energy and Power Requirements Using HPPC Cycling (2020) IEEE Transactions on Industry Applications, 56 (2), art. no. 8941245, pp. 1714-1728.  DOI: 10.1109/TIA.2019.2962109

Más información: Marc Anderson, Asesor, Unidad de Procesos Electroquímicos. marc.anderson@imdea.org

Fecha: 
Miércoles, Junio 3, 2020