Os cientistas descobriram um novo estado químico do elemento manganês. Este estado químico, proposto pela primeira vez há cerca de 90 anos, permite um alto desempenho, bateria de íon de sódio de baixo custo que pode armazenar e distribuir de forma rápida e eficiente a energia produzida por painéis solares e turbinas eólicas em toda a rede elétrica.

Esta prova direta de um estado de carga não confirmado anteriormente em um componente de bateria contendo manganês poderia inspirar novos caminhos de exploração para inovações de bateria.

Experimentos de raios-X no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) foram fundamentais para a descoberta. Os resultados do estudo foram publicados em 28 de fevereiro na revista Nature Communications .

Cientistas do Berkeley Lab e da New York University participaram do estudo, que foi liderado por pesquisadores da Natron Energy, anteriormente Alveo Energy, um Palo Alto, Empresa de tecnologia de baterias com sede na Califórnia.

A bateria que a Natron Energy forneceu para o estudo apresenta um design não convencional para um ânodo, que é um de seus dois eletrodos. Em comparação com os projetos relativamente maduros de ânodos usados ​​em baterias de íon-lítio, ânodos para baterias de íon de sódio permanecem um foco ativo de P&D.

O ânodo apresentado neste último estudo é feito de uma mistura de elementos - incluindo manganês, carbono e nitrogênio - que é quimicamente semelhante à fórmula do pigmento de tinta contendo ferro conhecido como azul da Prússia.

"Tipicamente, em baterias de íon de lítio e íon de sódio, o ânodo é mais frequentemente baseado em carbono, "disse Wanli Yang, um cientista da equipe do Berkeley Lab's Advanced Light Source, a fonte de raios X que foram usados ​​nos experimentos de bateria.

Mas neste caso, ambos os eletrodos da bateria utilizam o mesmo tipo de materiais baseados em elementos conhecidos como "metais de transição" que são úteis em química porque podem exibir vários estados carregados. O outro eletrodo, chamado de cátodo, contém cobre, azoto, carbono, e ferro.

"A parte muito interessante aqui é que ambos os eletrodos são baseados na química de metais de transição no mesmo tipo de materiais, " ele adicionou, com ferro no cátodo e uma química especial de manganês no ânodo.

"Um dos benefícios diretos da utilização de tais materiais para ambos os eletrodos da bateria é que nenhum dos dois eletrodos limita fundamentalmente a capacidade de energia, Ciclo da vida, ou custo do dispositivo, "disse Colin Wessells, CEO da Natron Energy. A bateria supera o ciclo de vida do Departamento de Energia e as metas de preço para armazenamento de energia em escala de rede, como os pesquisadores relatam em seu último estudo.

Wessells observou que a bateria é muito estável, seus materiais são abundantes, seu custo geral é competitivo com as baterias convencionais de chumbo-ácido, e tem uma pegada ambiental menor do que as baterias convencionais.

A bateria demonstrou fornecer até 90 por cento de sua energia total de uma forma muito rápida, quitação de cinco minutos, e reter cerca de 95 por cento de sua capacidade de descarga para 1, 000 ciclos. Ele oferece uma alternativa aos sistemas de armazenamento de energia baseados na gravidade para a rede elétrica, em que a água é bombeada morro acima e depois liberada morro abaixo sob demanda para gerar eletricidade.

Exatamente como a bateria atinge seu alto desempenho, no entanto, intrigou os pesquisadores.

Houve especulação, que remonta a um artigo de jornal alemão de 1928, que o manganês poderia existir em um estado chamado "1-plus" ou "monovalente", o que significa que um átomo de manganês neste estado perde apenas um único elétron. Isso é incomum, como átomos de manganês normalmente são conhecidos por fornecer dois ou mais elétrons, ou sem elétrons, em reações químicas, mas não apenas um.

Tal novo estado químico possibilitaria uma faixa de voltagem que é útil para ânodos de bateria. Mas não havia nenhuma medição confirmando esta forma monovalente de manganês.

Os pesquisadores da Natron Energy estudaram os materiais da bateria na Fundição Molecular do Berkeley Lab, um centro de nanociências, e, em seguida, ofereceu algumas células de bateria de amostra para estudo no ALS.

A primeira rodada de experimentos de raios-X no ALS, que usava uma técnica chamada espectroscopia de absorção de raios-X suave, parecia mostrar principalmente a forma 2-plus do manganês.

"Nós apenas pegamos uma dica (de outra forma) nos testes iniciais, e teve que confiar fortemente na teoria para especular sobre um estado diferente, "disse Andrew Wray, da Universidade de Nova York, quem realizou os cálculos teóricos.

Em seguida, a equipe se voltou para um sistema recém-construído no ALS, apelidado de espalhamento inelástico de raios-X ressonante in situ, ou iRIXS. A tecnica, que fornece uma sonda de alta sensibilidade da química interna dos materiais, mostrou um contraste revelador nos elétrons durante os ciclos de carga e descarga da bateria.

"Um contraste muito claro aparece imediatamente com o RIXS, "Disse Yang." Mais tarde, percebemos que o manganês 1-plus se comporta muito, muito próximo ao estado típico de 2+ em outra espectroscopia convencional, "razão pela qual foi difícil de detectar durante tantas décadas.

Wray adicionado, "A análise dos resultados do RIXS não apenas confirma o estado de manganês 1-plus; também mostra que as circunstâncias especiais que dão origem a este estado tornam mais fácil para os elétrons viajarem no material. É provavelmente por isso que um eletrodo de bateria tão incomum funciona tão bem."

Protótipos comerciais baseados na bateria testada no laboratório entraram no teste beta do cliente no início deste ano, Wessells observou. Além de aplicativos de grade, A Natron Energy está promovendo a tecnologia para energia de emergência de data centers, e para equipamentos pesados, como empilhadeiras elétricas, entre outras aplicações possíveis.

Yang disse que o quebra-cabeça químico resolvido no último estudo pode inspirar outras pesquisas e desenvolvimento em novos tipos de eletrodos de bateria. "O funcionamento de uma bateria pode levar ao surgimento de estados químicos atípicos que não existem em nosso pensamento convencional. Esse entendimento básico pode desencadear outros projetos novos, e abrir nossos olhos além de nossa sabedoria convencional "em materiais de eletrodo, ele disse.

"Este estudo foi como um pacote perfeito, com a indústria combinada, laboratório nacional, e contribuições da universidade, "Yang disse.