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Pesquisadores desenvolvem novo conceito para baterias de baixo custo
À medida que o mundo constrói instalações cada vez maiores de sistemas de energia eólica e solar, cresce rapidamente a necessidade de sistemas de armazenamento 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 exigem topografia específica que nem sempre está disponível.
Mas, recentemente, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e colaboradores desenvolveram um novo tipo de bateria, feito inteiramente de materiais abundantes e baratos, que pode ajudar a resolver essa questão.
A nova arquitetura da bateria, que usa alumínio e enxofre como seus dois materiais de eletrodo, com um eletrólito de sal fundido no meio, foi descrita na revista científica Nature, em um artigo do Dr. Donald Sadoway, professor do MIT, juntamente com outros 15 pesquisadores no MIT, China, Canadá, e também do Kentucky e Tennessee, nos Estados Unidos.
“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”, explicou o Dr. Donald Sadoway, professor de Química de Materiais do MIT.
Além de serem caras, as baterias de íon-lítio contêm um eletrólito inflamável, tornando-as menos adequadas para aplicações em transportes. Então, o professor 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, disse o pesquisador. 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 de alumínio”, destacou o professor.
Mas ainda restava a decisão de 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, disse o Dr. Sadoway. Eles tentaram então 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.
Os três ingredientes que os pesquisadores acabaram propondo são baratos e prontamente disponíveis: alumínio, enxofre – que muitas vezes é um produto residual de processos como refino de petróleo – e sais amplamente disponíveis. “Os ingredientes são baratos e o processo é seguro – não pode incendiar”, disse o professor 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 é altamente dependente da temperatura de trabalho, com 110oC mostrando taxas 25 vezes mais rápidas do que 25oC .
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 sua eficiência. Mas esse sal em particular é adequado 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. Fizemos experimentos com taxas de carregamento muito altas, carregando em menos de um minuto, e nunca perdemos células devido ao curto-circuito dos dendritos”, destacou o pesquisador.
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”, disse o Dr. 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 disponível e, em seguida, extrai eletricidade durante o anoitecer, e faz isso todos os dias. E essa carga-inativação-descarga-inativação é suficiente para gerar o calor necessário para manter a temperatura desejada na bateria.
Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).
Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).
Fonte: MIT News Office.
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