O armazenamento de energia com tecnologias de bateria recarregável alimenta nossos estilos de vida digitais e suporta a integração de energia renovável na rede elétrica. No entanto, o funcionamento da bateria em condições de frio é um desafio contínuo, motivando os pesquisadores a melhorar o desempenho das baterias em baixas temperaturas. As baterias aquosas (em uma solução líquida) se saem melhor do que as baterias não aquosas em termos de capacidade de taxa (uma medida de energia descarregada por unidade de tempo) em baixas temperaturas.
Nova pesquisa de engenheiros da Universidade da China de Hong Kong publicada em 17 de abril na Nano Research Energy propõe elementos de design ideal de eletrólitos aquosos para uso em baterias aquosas de baixa temperatura. A pesquisa revisa as propriedades físico-químicas de eletrólitos aquosos com base em várias métricas:diagramas de fase, taxas de difusão de íons e a cinética das reações redox.

Os principais desafios para baterias aquosas de baixa temperatura são que os eletrólitos congelam, os íons se difundem lentamente e a cinética redox (processos de transferência de elétrons) é consequentemente lenta. Esses parâmetros estão intimamente relacionados às propriedades físico-químicas dos eletrólitos aquosos de baixa temperatura usados ​​em baterias.

Para melhorar o desempenho da bateria em condições de frio, portanto, é necessário entender como os eletrólitos respondem ao frio (–50 ^o C a –95 ^o C). O autor do estudo e professor associado Yi-Chun Lu diz que "para obter baterias aquosas de baixa temperatura de alto desempenho (LT-ABs), é importante investigar as propriedades físico-químicas dependentes da temperatura de eletrólitos aquosos para orientar o projeto de eletrólitos aquosos de baixa temperatura (LT -AEs)."

Avaliando eletrólitos aquosos

Os pesquisadores compararam vários LT-AEs usados ​​em tecnologias de armazenamento de energia, incluindo Li ⁺ aquoso /Na ⁺ /K ⁺ /H ⁺ /Zn ²⁺ -baterias, supercapacitores e baterias de fluxo. O estudo coletou informações de muitos outros relatórios sobre o desempenho de diversos LT-AEs, por exemplo, um eletrólito de hidrogel anticongelante para um Zn/MnO aquoso₂ bateria; e um etilenoglicol (EG)-H₂ Eletrólito híbrido à base de O para uma bateria de metal Zn.

O estudo examinou sistematicamente diagramas de fase de equilíbrio e não equilíbrio para esses LT-AEs relatados para entender seus mecanismos anticongelantes. Os diagramas de fase mostraram como a fase do eletrólito muda com a mudança de temperatura. O estudo também examinou a condutividade em LT-AEs em relação à temperatura, concentrações de eletrólitos e portadores de carga.

O autor do estudo, Lu, previu que "eletrólitos aquosos anticongelantes ideais não devem apenas apresentar baixa temperatura de congelamento T _m mas também possuem forte capacidade de super-resfriamento", ou seja, o meio eletrolítico líquido deve permanecer líquido mesmo abaixo da temperatura de congelamento, permitindo assim o transporte de íons em temperaturas ultrabaixas.

Os autores do estudo descobriram que, de fato, os LT-AEs que permitem que as baterias operem em temperaturas ultrabaixas demonstram principalmente baixos pontos de congelamento e fortes habilidades de super-resfriamento. Além disso, Lu propõe que "a forte capacidade de superresfriamento pode ser alcançada melhorando o tempo mínimo de cristalização τ e aumentando o valor da razão entre a temperatura de transição vítrea e a temperatura de congelamento (T _g /T _m ) de eletrólitos."

A condutividade de carga dos LT-AEs relatados para uso em baterias pode ser melhorada diminuindo a quantidade de energia necessária para que ocorra a transferência de íons, ajustando a concentração de eletrólitos e escolhendo certos portadores de carga que promovam taxas de reação redox rápidas. Lu diz que "reduzir a energia de ativação da difusão, otimizar a concentração de eletrólitos, escolher portadores de carga com baixo raio hidratado e projetar mecanismos de difusão concertada seriam estratégias eficazes para melhorar a condutividade iônica de LT-AEs".

No futuro, os autores esperam estudar ainda mais as propriedades físico-químicas dos eletrólitos que contribuem para melhorar o desempenho da bateria aquosa em baixas temperaturas. "Gostaríamos de desenvolver baterias aquosas de baixa temperatura (LT-ABs) de alto desempenho projetando eletrólitos aquosos com baixa temperatura de congelamento, forte capacidade de superresfriamento, alta condutividade iônica e cinética redox interfacial rápida", diz Lu. + Explorar mais

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