p A adoção generalizada de energia renovável na rede elétrica requer o tipo certo de bateria - uma que seja segura, sustentável, poderoso, de longa duração, e feitos de materiais abundantes e de origem ética. p Graças aos cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), podemos estar um passo mais perto de realizar essa visão.

p Em parceria com colegas do Laboratório Nacional de Argonne e do Centro de Pesquisa de Baterias MEET da Universidade de Münster, na Alemanha, Cientista de materiais do PNNL e Distinto Fellow de Pós-Doutorado de Linus Pauling, Ismael Rodríguez Pérez, formulou um novo tipo de química celular para baterias de íon duplo (DIB). A nova química DIB, chamada bateria de íon duplo aquoso de metal de zinco, grafite || usa um ânodo de zinco e um cátodo de grafite natural em um eletrólito aquoso - ou "água em bisalt".

p Usando com sucesso um cátodo de grafite em um eletrólito aquoso

p O uso de eletrólitos aquosos não é novo, nem o uso de grafite. Na verdade, As baterias de íon-lítio (Li-ion) usam grafite como componente do ânodo, e DIBs não aquosos usam grafite como ânodo e cátodo. O que há de novo é combinar os dois em uma nova química.

p Fazer isso, Rodríguez Pérez e sua equipe deram ao eletrólito aquoso um impulso extra usando uma solução altamente concentrada "água em bisalt". A solução amplia a janela de estabilidade eletroquímica do eletrólito e permite a grafite como um material catódico em um sistema aquoso prático - algo que antes era considerado impossível. Isso ajuda a estabilizar o eletrólito em altas tensões, permitindo que o grafite oxide eletroquimicamente antes do eletrólito aquoso.

p "É apenas um grande mashup de coisas muito legais juntas, "disse Rodríguez Pérez." A concentração de íons de sal é tão incrivelmente alta, é quase como se a água não estivesse mais lá. Então, o eletrólito aquoso não se decompõe em tensões onde normalmente faria, permitindo o uso de grafite. Esse é o resultado mais surpreendente nisso. "

p Rodríguez Pérez está se baseando em pesquisas anteriores conduzidas por Kang Xu do Laboratório de Pesquisa do Exército dos Estados Unidos e Chunsheng Wang da Universidade de Maryland, quem primeiro desenvolveu esses eletrólitos aquosos altamente concentrados em 2015.

p A bateria mostrou desempenho promissor durante o teste. Em aproximadamente 2,3 a 2,5 volts, alcançou um dos maiores potenciais de operação de qualquer bateria aquosa.

p "Estamos operando com tensões mais altas do que qualquer outra bateria aquosa de zinco e também qualquer outra bateria aquosa de íon duplo, "acrescentou Rodríguez Pérez.

p Rodríguez Pérez e seus colaboradores descreveram o novo tipo de química da célula de bateria no jornal, "Habilitando o grafite natural em baterias de íon duplo de metal Zn de grafite aquoso de alta tensão, "que foi publicado no outono passado em Materiais de energia avançada .

p Baterias mais seguras e sustentáveis

p Mas a nova química da célula não melhora apenas o desempenho da bateria, também é melhor para o meio ambiente.

p Cátodos feitos de materiais à base de carbono altamente abundantes, como grafite natural, são menos caros e mais sustentáveis ​​do que ambientalmente prejudiciais, escasso, e metais caros, como níquel e cobalto, regularmente usado em baterias de íon-lítio. Usar um eletrólito aquoso também torna os DIBs mais seguros, pois não são inflamáveis ​​em comparação com as baterias comerciais de lítio, que usam eletrólitos não aquosos exclusivamente.

p "Na pesquisa de baterias, estamos tentando alcançar vários resultados que são essenciais para o crescimento e a adoção do mercado, "disse Rodríguez Pérez." Queremos usar mais abundante, menos dispendioso, e materiais mais sustentáveis, enquanto o mais importante aumenta a vida útil da bateria e mantém a densidade de energia moderada. "

p "A química da célula de grafite || zinco metálico com o eletrólito aquoso especialmente projetado pode apresentar vantagens em relação ao custo, sustentabilidade, e segurança em comparação com baterias de íon-lítio, devido aos materiais usados, "explica Tobias Placke, líder do grupo de materiais no MEET Battery Research Center.

p Em DIBs, tanto o cátodo positivo quanto o eletrodo negativo podem ser feitos de materiais de baixo custo à base de carbono, como grafite. Isso torna os DIBs uma solução particularmente promissora para apoiar a adoção generalizada de fontes de energia renováveis, como eólica e solar para a rede elétrica.

p Mas até agora, o uso de grafite como cátodo tem sido limitado pela estreita estabilidade eletroquímica da água, que termina em 1,23 volts. A janela de estabilidade eletroquímica é a faixa de potencial entre a qual o eletrólito não é oxidado nem reduzido (decomposto), e uma vareta de medição importante para a eficiência de um eletrólito em contato com um eletrodo. O grafite exigiria uma janela de estabilidade muito mais ampla.

p E é exatamente isso que essa nova química celular faz.

p Potencial empolgante para armazenamento de energia de rede estacionária

p A mecânica dos DIBs é o que o torna uma opção particularmente atraente para a rede elétrica.

p De um modo geral, cada célula da bateria tem três partes principais:um eletrodo positivo chamado cátodo, um eletrodo negativo chamado ânodo, e um eletrólito. Em baterias de íon-lítio, a energia é gerada quando os íons de lítio (íons carregados positivamente ou cátions) fluem do cátodo para o ânodo e vice-versa em um movimento de cadeira de balanço através do eletrólito. Isso equilibra a carga quando os elétrons fluem através de um circuito externo do cátodo para o ânodo, criando eletricidade.

p Em DIBs, ambos os cátions e ânions (íons carregados negativamente) são ativos e se movem em paralelo do eletrólito para o ânodo e cátodo, respectivamente, em forma de acordeão; isso permite aplicações potencialmente de alta potência, como supercapacitores, embora ainda seja capaz de usar energia moderadamente alta, como baterias. Além disso, este mecanismo torna os íons no eletrólito ativos, permitindo uma maior otimização da bateria.

p Mas ainda há trabalho a fazer. Os DIBs ainda funcionam com apenas cerca de um terço da capacidade das baterias Li-on - então eles não podem competir, ainda. As baterias de lítio ainda têm uma das densidades de energia mais altas de qualquer sistema comparável, o que significa que podem fornecer uma quantidade significativa de energia e ainda assim permanecer pequenos. Essa vantagem é um dos principais motivos pelos quais são usados ​​em aplicativos móveis, como smartphones e carros elétricos.

p Mas Rodríguez Pérez vê uma solução para isso:tornar os DIBs três vezes maiores.

p "Se conseguirmos atingir uma voltagem alta o suficiente para a bateria, mesmo se o desempenho não estiver no mesmo nível das baterias de íon de lítio, podemos tornar as baterias de íon duplo maiores e torná-las candidatas adequadas para aplicações de armazenamento de energia em rede, "disse Rodríguez Pérez." Embora você não possa usá-lo para alimentar seu telefone, sua concessionária local pode usá-lo para armazenar energia para sua casa, estabilizar a grade, e aumentar a confiabilidade. "

p Um futuro brilhante para baterias de íon duplo

p A União Internacional de Química Pura e Aplicada listou os DIBs como uma das "Dez Tecnologias Emergentes em Química 2020" para reconhecer seu potencial na resolução de "grandes problemas globais" no futuro.

p Continuar a desenvolver a ciência por trás das baterias de armazenamento de energia de rede pode gerar novas abordagens e novas químicas de células e nos aproximar ainda mais da ampla adoção de fontes de energia renováveis ​​para a rede de energia elétrica.

p E é isso que Rodríguez Pérez e sua equipe do PNNL pretendem fazer. A próxima etapa envolve a otimização do eletrólito aquoso "água em bisalt" - atualmente, o sal usado na química da célula é mais caro do que ambos os eletrodos.

p “O PNNL está no rés-do-chão com esta tecnologia promissora, "disse Rodríguez Pérez." Há muito espaço para inovação em baterias de íon duplo. "