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Los secretos de las baterías de óxido de estado sólido reversibles: ¿cómo se cargan y descargan simultáneamente?
Con la creciente demanda mundial de energía renovable y tecnologías de almacenamiento de energía de alta eficiencia, las baterías reversibles de oxidación de estado sólido (rSOC) se han convertido en un área de investigación convincente. Esta tecnología emergente no sólo puede funcionar como una celda de combustible de oxidación de estado sólido, sino que también puede convertirse en una celda electrolítica de estado sólido, contribuyendo a la eficiencia del almacenamiento y la conversión de energía. Este artículo analizará en profundidad la estructura, el principio de funcionamiento y el potencial de rSOC en el almacenamiento de energía.
Una celda de oxidación de estado sólido reversible es un dispositivo electroquímico de estado sólido que puede funcionar alternativamente entre los modos de celda de combustible de oxidación de estado sólido y celda electrolítica de estado sólido.
Descripción técnica
Estructura de la batería y principio de funcionamiento
El sistema rSOC se compone principalmente de cuatro componentes: electrolito, electrodos de combustible y oxígeno, y componentes de interconexión. Las capas porosas de estos electrodos facilitan la difusión de reactivos dentro de ellos y catalizan reacciones electroquímicas. En tecnologías tradicionales como SOFC y SOEC, cada electrodo tiene una única función, pero en las baterías reversibles de oxidación de estado sólido, los dos modos pueden alternar en el mismo dispositivo. Esto permite utilizar nombres más generales al describir electrodos, como electrodo de combustible y electrodo de oxígeno.
En el modo SOFC, la reacción de oxidación del combustible ocurre en el electrodo de combustible, mientras que en el modo SOEC, es la reacción de reducción de los iones de oxígeno. En términos de electrodos de oxígeno, la reacción de reducción del oxígeno se lleva a cabo en modo SOFC y la reacción de oxidación se lleva a cabo en modo SOEC. Cuando rSOC opera en modo SOFC, los iones de oxígeno fluyen desde el electrodo de oxígeno al electrodo de combustible, donde ocurre la reacción de oxidación, mientras que en el modo SOEC, los reactivos se reducen en el ánodo y generan iones de oxígeno, que fluyen nuevamente hacia el electrodo de oxígeno.
Curva de polarización
Una herramienta común para evaluar el rendimiento de rSOC es la curva de polarización. Este cuadro muestra la relación entre la densidad de corriente de la batería y su voltaje de funcionamiento. Cuando el circuito rSOC no está cerrado, el voltaje de operación se llama voltaje de circuito abierto. Cuando se extrae o suministra una determinada fluctuación o corriente, el voltaje de funcionamiento comenzará a desviarse del voltaje del circuito abierto. Este fenómeno se ve afectado principalmente por pérdidas de activación, pérdidas óhmicas y pérdidas de concentración.
En modo SOEC, si el voltaje de operación es menor que el voltaje termoneutral, la reacción es endotérmica; si es mayor que el voltaje termoneutral, es exotérmica.
Reacción química
En el funcionamiento de rSOC, la reacción de hidrógeno y vapor de agua es una reacción química común. En el modo SOFC, el hidrógeno reacciona con el oxígeno para producir agua, mientras que en el modo SOEC, el agua se vuelve a dividir en hidrógeno y oxígeno.
Además, rSOC no se limita a reacciones de hidrógeno y también puede manejar reactivos que contienen carbono, como el metano. Estas reacciones químicas pueden reducir el riesgo de envenenamiento del catalizador a altas temperaturas y proporcionar opciones más flexibles para la conversión de energía.
El amoníaco es un potencial portador de hidrógeno y su alta densidad aparente le permite servir como combustible eficiente.
Sistema rSOC y su aplicación en almacenamiento de energía
rSOC ha recibido cada vez más atención debido a su excelente rendimiento, especialmente en el almacenamiento de energía periódico o estacional. En comparación con las tecnologías tradicionales de almacenamiento de energía hidráulica por bombeo y aire comprimido, los sistemas rSOC tienen grandes ventajas en la falta de restricciones geográficas y una mayor densidad de almacenamiento de energía.
En este escenario, el almacenamiento de hidrógeno se convierte en una opción ideal. rSOC puede operar en ambas direcciones en la generación de energía y la conversión de hidrógeno. Esta alta eficiencia no solo reduce el costo de inversión general del equipo, sino que también mejora la estabilidad del sistema.
Eficiencia del bucle
Cuando se habla de rSOC, la eficiencia del circuito es un indicador muy importante, que representa la eficiencia desde la carga hasta la descarga en el proceso de conversión de energía. A medida que mejore el rendimiento de la batería, este parámetro se convertirá en un factor importante para determinar la competitividad de rSOC en el mercado.
La eficiencia del circuito de rSOC se puede utilizar como un indicador importante para evaluar su eficacia en la conversión de energía.
A medida que la demanda de tecnologías de energía renovable continúa aumentando, ¿pueden las baterías reversibles de oxidación de estado sólido convertirse en una solución generalizada para el almacenamiento de energía en el futuro?
