Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS), em colaboração com colegas da Universidade de Cambridge, desenvolveram um novo método para prolongar drasticamente a vida útil de baterias orgânicas de fluxo aquoso, melhorando a viabilidade comercial de um tecnologia que tem o potencial de armazenar de forma segura e barata a energia de fontes renováveis, como eólica e solar.
“As baterias de fluxo redox aquosas orgânicas prometem reduzir significativamente os custos de armazenamento de eletricidade de fontes de energia intermitentes, mas a instabilidade das moléculas orgânicas dificultou sua comercialização”, disse Michael Aziz, professor de materiais e tecnologias de energia da Gene and Tracy Sykes na SEAS. . “Agora, temos uma solução realmente prática para estender a vida útil dessas moléculas, o que é um grande passo para tornar essas baterias competitivas”.

A pesquisa é publicada em Nature Chemistry .

Na última década, Aziz e Roy Gordon, professor de química Thomas Dudley Cabot e professor de ciência dos materiais, colaboraram para desenvolver baterias orgânicas de fluxo aquoso usando moléculas conhecidas como antraquinonas, que são compostas por elementos naturalmente abundantes, como carbono, hidrogênio, e oxigênio, para armazenar e liberar energia.

Ao longo de sua pesquisa, a equipe descobriu que essas antraquinonas se decompõem lentamente ao longo do tempo, independentemente de quantas vezes a bateria foi usada.

Em trabalhos anteriores, os pesquisadores descobriram que poderiam estender a vida útil de uma dessas moléculas, chamada DHAQ, mas apelidada de "quinona zumbi" no laboratório, expondo a molécula ao ar. A equipe descobriu que, se a molécula for exposta ao ar na parte certa de seu ciclo de carga e descarga, ela pega oxigênio do ar e volta à molécula original de antraquinona – como se estivesse retornando dos mortos, daí o apelido.

Mas expor regularmente o eletrólito de uma bateria ao ar não é exatamente prático, pois desequilibra os dois lados da bateria – ambos os lados da bateria não podem mais ser totalmente carregados ao mesmo tempo.

Para encontrar uma abordagem mais prática, os pesquisadores colaboraram com químicos da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, para entender melhor como as moléculas se decompõem e inventaram um método elétrico para reverter o processo.

A equipe descobriu que se realizassem a chamada descarga profunda, na qual os terminais positivo e negativo da bateria são drenados para que a diferença de tensão entre os dois se torne zero, e então invertem a polaridade da bateria, forçando o lado positivo negativo e o lado negativo positivo, ele criou um pulso de voltagem que poderia redefinir as moléculas em decomposição de volta à sua forma original.

"Normalmente, ao usar outros tipos de baterias, você deve evitar drenar completamente a bateria porque ela tende a degradar seus componentes", disse Yan Jing, pós-doutorando em Harvard e co-autor do artigo. "Mas descobrimos que essa descarga extrema, até realmente inverter a polaridade, pode recompor essas moléculas - o que foi uma surpresa."

O processo funciona um pouco como um marca-passo, periodicamente dando um choque no sistema que revive as moléculas decompostas.

Neste artigo, os pesquisadores demonstraram uma vida útil líquida 17 vezes maior do que a pesquisa anterior. Em pesquisas posteriores, que refinaram o processo, os pesquisadores demonstraram um aumento ainda maior na vida útil, até 260 vezes maior, levando a uma taxa de perda inferior a 10% ao ano. Essa pesquisa ainda não foi publicada.

"Atingir um percentual de perda de um dígito por ano é realmente possibilitar uma ampla comercialização, porque não é um grande encargo financeiro completar seus tanques em alguns por cento a cada ano", disse Aziz.

O Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard protegeu a propriedade intelectual associada a este projeto e licenciou a tecnologia e outras patentes relacionadas em baterias de fluxo de quinona para a Quino Energy, uma startup que busca seu desenvolvimento comercial.

A equipe de pesquisa também demonstrou que essa abordagem funciona para uma variedade de moléculas orgânicas e para uma variedade de processos de descarga profunda, com e sem reversão de polaridade. Em seguida, a equipe pretende explorar o quanto eles podem prolongar a vida útil do DHAQ e de outras antraquinonas baratas que foram usadas nesses sistemas.

"Pode-se esperar que as baterias de fluxo sejam a próxima onda na tecnologia de armazenamento além do lítio - particularmente baterias com eletrólitos orgânicos", disse Imre Gyuk, diretor do programa de armazenamento de eletricidade do Departamento de Energia. "Esse trabalho permite o controle do processo de decomposição, prolongando muito a vida útil e possibilitando aplicações para armazenamento de energia de média e longa duração."

A pesquisa foi co-autoria de Evan Wenbo Zhao, Marc-Antoni Goulet, Meisam Bahari, Eric M. Fell, Shijian Jin, Ali Davoodi, Erlendur Jónsson, Min Wu, Clare P. Gray e Roy G. Gordon. + Explorar mais

Nova bateria de fluxo orgânico traz de volta à vida moléculas em decomposição