Os pesquisadores construíram um sistema mais eficiente, bateria de potássio-oxigênio mais confiável, um passo em direção a uma solução potencial para armazenamento de energia na rede elétrica do país e baterias de longa duração em telefones celulares e laptops.

Em um estudo publicado sexta-feira na revista Baterias e Supercaps , pesquisadores da Universidade Estadual de Ohio detalharam suas descobertas centrando-se na construção do cátodo da bateria, que armazena a energia produzida por uma reação química em uma bateria metal-oxigênio ou metal-ar. A descoberta, os pesquisadores dizem, poderia tornar as fontes de energia renováveis, como solar e eólica, opções mais viáveis ​​para a rede elétrica por meio de mais barato, armazenamento de energia mais eficiente.

“Se você quiser ir para uma opção totalmente renovável para a rede elétrica, você precisa de dispositivos econômicos de armazenamento de energia que possam armazenar o excesso de energia e devolvê-la quando você não tiver a fonte pronta ou funcionando, "disse Vishnu-Baba Sundaresan, co-autor do estudo e professor de engenharia mecânica e aeroespacial no estado de Ohio. "Tecnologia como esta é fundamental, porque é barato, não usa nenhum material exótico, e pode ser feito em qualquer lugar e promover a economia local. "

Fontes de energia renováveis ​​não emitem dióxido de carbono, portanto, eles não contribuem para o aquecimento global - mas fornecem energia apenas quando o sol está brilhando ou o vento está soprando. Para que sejam fontes confiáveis ​​de energia para a rede de energia de uma região, deve haver uma maneira de armazenar o excesso de energia coletada do sol e do vento.

Empresas, cientistas e governos em todo o mundo estão trabalhando em soluções de armazenamento, variando de baterias de íon-lítio - versões maiores daquelas usadas em muitos veículos elétricos - até baterias gigantes do tamanho de uma caixa grande feita de metal vanádio.

As baterias de potássio-oxigênio têm sido uma alternativa potencial para armazenamento de energia desde que foram inventadas em 2013. Uma equipe de pesquisadores do estado de Ohio, liderado pelo professor de química Yiying Wu, mostraram que as baterias podem ser mais eficientes do que as baterias de lítio-oxigênio, ao mesmo tempo em que armazenam cerca de duas vezes a energia das baterias de íon-lítio existentes. Mas as baterias de potássio-oxigênio não têm sido amplamente utilizadas para armazenamento de energia porque, até aqui, eles não foram capazes de recarregar o tempo suficiente para serem econômicos.

Enquanto as equipes tentavam criar uma bateria de potássio-oxigênio que pudesse ser uma solução de armazenamento viável, eles continuavam enfrentando um obstáculo:a bateria se degradava a cada carga, nunca durando mais do que cinco ou 10 ciclos de carga - longe de ser o suficiente para tornar a bateria uma solução econômica para armazenamento de energia. Essa degradação aconteceu porque o oxigênio penetrou no ânodo da bateria - o lugar que permite que os elétrons carreguem um dispositivo, seja um telefone celular ou uma rede elétrica. O oxigênio causou a quebra do ânodo, fazendo com que a própria bateria não pudesse mais fornecer carga.

Paul Gilmore, um candidato a doutorado no laboratório de Sundaresan, começou a incorporar polímeros ao cátodo para ver se poderia proteger o ânodo do oxigênio. Se ele pudesse encontrar uma maneira de fazer isso, ele pensou, daria às baterias de potássio-oxigênio uma chance de vida mais longa. Acontece que ele estava certo:a equipe percebeu que o inchaço no polímero desempenhou um papel vital em seu desempenho. A chave, Gilmore disse, estava encontrando uma maneira de levar oxigênio para a bateria - necessário para que funcione - sem permitir que o oxigênio penetre no ânodo.

Este projeto funciona um pouco como o pulmão humano:o ar entra na bateria por meio de uma camada fibrosa de carbono, então encontra uma segunda camada que é ligeiramente menos porosa e finalmente termina em uma terceira camada, que quase não é poroso. Essa terceira camada, feito de polímero condutor, permite que os íons de potássio viajem por todo o cátodo, mas restringe o oxigênio molecular de chegar ao ânodo. O design significa que a bateria pode ser carregada pelo menos 125 vezes - dando às baterias de potássio-oxigênio mais de 12 vezes a longevidade que tinham anteriormente com eletrólitos de baixo custo.

A descoberta mostra que isso é possível, mas os testes da equipe não provaram que as baterias podem ser feitas na escala necessária para o armazenamento da rede elétrica, Sundaresan disse. Contudo, mostra potencial.

Gilmore disse que o potencial também pode existir para baterias de potássio-oxigênio para serem úteis em outras aplicações.

"As baterias de oxigênio têm maior densidade de energia, o que significa que eles podem melhorar o alcance de veículos elétricos e a vida útil da bateria de eletrônicos portáteis, por exemplo, embora outros desafios devam ser superados antes que as baterias de potássio-oxigênio sejam viáveis ​​para essas aplicações, " ele disse.

E a descoberta oferece uma alternativa às baterias de íon-lítio e outras que dependem de cobalto, um material que tem sido chamado de "diamante de sangue das baterias". A extração do material é tão preocupante que grandes empresas, incluindo TESLA, anunciaram seus planos para eliminá-lo totalmente das baterias.

"É muito importante que as baterias destinadas a aplicações em grande escala não usem cobalto, "Disse Sundaresan.

E também é importante que a bateria seja feita de maneira barata. Baterias de lítio-oxigênio - uma possível solução de armazenamento de energia que é amplamente considerada uma das opções mais viáveis ​​- podem ser caras, e muitos dependem de recursos escassos, incluindo cobalto. As baterias de íon de lítio que movem muitos carros elétricos custam cerca de US $ 100 por quilowatt-hora no nível de materiais.

Os pesquisadores estimaram que esta bateria de potássio-oxigênio custará cerca de US $ 44 por quilowatt-hora.

"Quando se trata de baterias, um tamanho não serve para todos, "Disse Sundaresan." Para baterias de potássio-oxigênio e lítio-oxigênio, o custo tem sido proibitivo para usá-los como backup de energia da rede. Mas agora que mostramos que podemos fazer uma bateria tão barata e estável, então, ele o faz competir com outras tecnologias para backup de energia da rede.

"Se você tiver uma bateria pequena e barata, então você pode falar sobre como aumentá-lo. Se você tiver uma bateria pequena que custa $ 1, 000 por pop, então, ampliá-lo simplesmente não é possível. Isso abre a porta para ampliá-lo. "