Créditos: Imagem: Rebecca Miller
Feita de materiais baratos e abundantes, uma bateria de alumínio-enxofre pode fornecer armazenamento de backup de baixo custo para fontes de energia renováveis.
À medida que o mundo constrói instalações cada vez maiores de sistemas de energia eólica e solar, cresce rapidamente a necessidade de sistemas de backup econômicos e em larga escala para fornecer energia quando o sol está se pondo e o ar está calmo. As baterias de íons de lítio de hoje ainda são muito caras para a maioria dessas aplicações, e outras opções, como hidrelétricas bombeadas, exigem topografia específica que nem sempre está disponível.
Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares desenvolveram um novo tipo de bateria, feita inteiramente de materiais abundantes e baratos, que podem ajudar a preencher essa lacuna.
A nova arquitetura da bateria, que usa alumínio e enxofre como seus dois materiais de eletrodo, com um eletrólito de sal fundido no meio, é descrita hoje na revista Nature, em um artigo do professor do MIT Donald Sadoway, juntamente com outros 15 no MIT e na China. , Canadá, Kentucky e Tennessee.
“Eu queria inventar algo que fosse melhor, muito melhor, do que baterias de íons de lítio para armazenamento estacionário de pequena escala e, finalmente, para usos automotivos”, explica Sadoway, professor emérito de química de materiais da John F. Elliott.
Além de serem caras, as baterias de íon-lítio contêm um eletrólito inflamável, tornando-as menos do que ideais para transporte. Então, Sadoway começou a estudar a tabela periódica, procurando metais baratos e abundantes na Terra que pudessem substituir o lítio. O metal comercialmente dominante, o ferro, não tem as propriedades eletroquímicas certas para uma bateria eficiente, diz ele. Mas o segundo metal mais abundante no mercado – e na verdade o metal mais abundante na Terra – é o alumínio. “Então, eu disse, bem, vamos fazer disso um suporte para livros. Vai ser de alumínio”, diz ele.
Então veio decidir com o que emparelhar o alumínio para o outro eletrodo e que tipo de eletrólito colocar no meio para transportar íons para frente e para trás durante o carregamento e descarregamento. O mais barato de todos os não-metais é o enxofre, de modo que se tornou o segundo material do eletrodo. Quanto ao eletrólito, “não usaríamos os líquidos orgânicos voláteis e inflamáveis” que às vezes levam a incêndios perigosos em carros e outras aplicações de baterias de íons de lítio, diz Sadoway. Eles tentaram alguns polímeros, mas acabaram olhando para uma variedade de sais fundidos que têm pontos de fusão relativamente baixos – perto do ponto de ebulição da água, em oposição a quase 1.000 graus Fahrenheit para muitos sais. “Depois de chegar perto da temperatura corporal, torna-se prático” fazer baterias que não exijam isolamento especial e medidas anticorrosivas, diz ele.
Os três ingredientes com os quais eles acabaram são baratos e prontamente disponíveis – alumínio, não diferente do papel alumínio no supermercado; enxofre, que muitas vezes é um produto residual de processos como refino de petróleo; e sais amplamente disponíveis. “Os ingredientes são baratos e a coisa é segura – não pode queimar”, diz Sadoway.
Em seus experimentos, a equipe mostrou que as células da bateria podem suportar centenas de ciclos com taxas de carregamento excepcionalmente altas, com um custo projetado por célula de cerca de um sexto do das células de íons de lítio comparáveis. Eles mostraram que a taxa de carregamento era altamente dependente da temperatura de trabalho, com 110 graus Celsius (230 graus Fahrenheit) mostrando taxas 25 vezes mais rápidas do que 25 C (77 F).
Surpreendentemente, o sal fundido que a equipe escolheu como eletrólito simplesmente por causa de seu baixo ponto de fusão acabou tendo uma vantagem fortuita. Um dos maiores problemas na confiabilidade da bateria é a formação de dendritos, que são pontas estreitas de metal que se acumulam em um eletrodo e eventualmente crescem para entrar em contato com o outro eletrodo, causando um curto-circuito e prejudicando a eficiência. Mas esse sal em particular, acontece que é muito bom para evitar esse mau funcionamento.
O sal de cloro-aluminato que eles escolheram “essencialmente aposentou esses dendritos descontrolados, além de permitir um carregamento muito rápido”, diz Sadoway. “Fizemos experimentos com taxas de carregamento muito altas, carregando em menos de um minuto, e nunca perdemos células devido ao curto-circuito dos dendritos.”
“É engraçado”, diz ele, porque todo o foco estava em encontrar um sal com o ponto de fusão mais baixo, mas os cloro-aluminatos catenados que acabaram se mostraram resistentes ao problema do curto. “Se tivéssemos começado tentando evitar o curto-circuito dendrítico, não tenho certeza se saberia como perseguir isso”, diz Sadoway. “Acho que foi um acaso para nós.”
Além disso, a bateria não requer nenhuma fonte de calor externa para manter sua temperatura operacional. O calor é naturalmente produzido eletroquimicamente pela carga e descarga da bateria. “À medida que você carrega, você gera calor, e isso evita que o sal congele. E então, quando você descarrega, também gera calor”, diz Sadoway. Em uma instalação típica usada para nivelamento de carga em uma instalação de geração solar, por exemplo, “você armazena eletricidade quando o sol está brilhando e, em seguida, extrai eletricidade após o anoitecer, e faz isso todos os dias. E essa carga-inativa-descarga-inativa é suficiente para gerar calor suficiente para manter a coisa na temperatura.”
Essa nova formulação de bateria, diz ele, seria ideal para instalações do tamanho necessário para alimentar uma única casa ou uma pequena e média empresa, produzindo na ordem de algumas dezenas de quilowatts-hora de capacidade de armazenamento.
Para instalações maiores, com escala de utilidade de dezenas a centenas de megawatts-hora, outras tecnologias podem ser mais eficazes, incluindo as baterias de metal líquido que Sadoway e seus alunos desenvolveram há vários anos e que formaram a base para uma empresa derivada chamada Ambri, que espera para entregar seus primeiros produtos no próximo ano. Por essa invenção, Sadoway foi recentemente premiado com o Prêmio Inventor Europeu deste ano.
A menor escala das baterias de alumínio-enxofre também as tornaria práticas para usos como estações de carregamento de veículos elétricos, diz Sadoway. Ele ressalta que quando os veículos elétricos se tornam comuns nas estradas e vários carros querem carregar ao mesmo tempo, como acontece hoje com as bombas de gasolina, “se você tentar fazer isso com baterias e quiser carregamento rápido, as amperagens são apenas tão alto que não temos essa quantidade de amperagem na linha que alimenta a instalação.” Portanto, ter um sistema de bateria como esse para armazenar energia e liberá-la rapidamente quando necessário pode eliminar a necessidade de instalar novas e caras linhas de energia para atender a esses carregadores.
A nova tecnologia já é a base para uma nova empresa spinoff chamada Avanti, que licenciou as patentes para o sistema, cofundada por Sadoway e Luis Ortiz ’96 ScD ’00, que também foi cofundador da Ambri. “A primeira ordem de negócios para a empresa é demonstrar que ela funciona em escala”, diz Sadoway, e depois submetê-la a uma série de testes de estresse, incluindo a execução de centenas de ciclos de carregamento.
Uma bateria à base de enxofre correria o risco de produzir os maus odores associados a algumas formas de enxofre? Sem chance, diz Sadoway. “O cheiro de ovo podre está no gás, sulfeto de hidrogênio. Isso é enxofre elementar, e será colocado dentro das células.” Se você tentasse abrir uma célula de íon-lítio em sua cozinha, ele diz (e por favor, não tente isso em casa!), “a umidade do ar reagiria e você começaria a gerar todo tipo de sujeira. gases também. São perguntas legítimas, mas a bateria é lacrada, não é um recipiente aberto. Então eu não me preocuparia com isso.”
A equipe de pesquisa incluiu membros da Universidade de Pequim, da Universidade de Yunnan e da Universidade de Tecnologia de Wuhan, na China; a Universidade de Louisville, em Kentucky; a Universidade de Waterloo, no Canadá; Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee; e MIT. O trabalho foi apoiado pela MIT Energy Initiative, o MIT Deshpande Center for Technological Innovation e o ENN Group.
Publicado em 30/08/2022 09h33
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