De baixo custo, A química da bateria de alto desempenho desenvolvida por pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder pode um dia levar a um armazenamento escalonável em nível de rede para energia eólica e solar, o que pode ajudar as concessionárias de eletricidade a reduzir sua dependência de combustíveis fósseis.

A nova inovação, descrito hoje no jornal Joule , descreve duas baterias de fluxo aquoso, também conhecidas como baterias de fluxo redox, que usam cromo e agentes de ligação orgânicos para alcançar voltagem excepcional e alta eficiência. Os componentes são abundantes na natureza, oferecendo promessa futura de fabricação econômica.

"Estamos entusiasmados em relatar alguns dos produtos químicos de bateria de melhor desempenho de todos os tempos, além dos limites anteriores, "disse Michael Marshak, autor sênior do estudo e professor assistente no Departamento de Química da CU Boulder. “Os materiais são de baixo custo, não tóxico e prontamente disponível. "

Fontes de energia renováveis ​​fornecem uma parcela crescente da produção elétrica dos EUA, mas atualmente falta uma solução em grande escala para armazenar a energia coletada e reimplantá-la para atender à demanda durante os períodos em que o sol não está brilhando e o vento não está soprando.

“Existem descompassos entre oferta e demanda na rede de energia durante o dia, "disse Marshak, que também é bolsista do Instituto de Energias Renováveis ​​e Sustentáveis ​​(RASEI). "O sol pode atender às necessidades da rede pela manhã, mas a demanda tende a aumentar no final da tarde e continuar até a noite após o pôr do sol. Agora mesmo, as empresas de serviços públicos precisam preencher essa lacuna acelerando rapidamente a produção de carvão e gás natural, assim como você pegaria um carro de zero a sessenta. "

Embora o íon de lítio possa fornecer energia para aplicações em menor escala, você precisaria de milhões de baterias para fazer backup até mesmo de uma pequena usina de combustível fóssil por uma hora, Marshak diz. Mas embora a química do íon de lítio seja eficaz, não é adequado para atender à capacidade de um campo inteiro de turbinas eólicas ou painéis solares.

"O problema básico com as baterias de íon de lítio é que elas não escalam muito bem, "Marshak disse." Quanto mais material sólido você adicionar, mais resistência você adiciona e todos os outros componentes precisam aumentar em conjunto. Então, em essência, se você quiser o dobro da energia, você precisa construir o dobro das baterias e isso não é econômico quando você está falando sobre tantos megawatts-hora. "

As baterias de fluxo foram identificadas como uma via mais promissora. As baterias aquosas mantêm seus ingredientes ativos separados na forma líquida em grandes tanques, permitindo que o sistema distribua energia de maneira gerenciada, semelhante à maneira como um tanque de gasolina fornece combustão constante para o motor de um carro quando você pressiona o pedal.

Embora existam alguns exemplos de baterias de fluxo operando de forma consistente por décadas (como no Japão), eles têm lutado para ganhar uma posição ampla nas operações comerciais e municipais devido em parte ao seu tamanho pesado, altos custos operacionais e comparativamente baixa tensão.

"O tamanho é um problema menor para sistemas em escala de grade, porque seria apenas anexado a uma estrutura já grande, "Marshak disse." O que importa é o custo, e é isso que queríamos melhorar. "

Os pesquisadores voltaram ao básico, reexaminar as químicas da bateria de fluxo que foram estudadas anos atrás, mas abandonado. A chave acabou sendo combinar agentes de ligação orgânicos, ou quelatos, com íons de cromo para estabilizar um eletrólito potente.

"Algumas pessoas já adotaram essa abordagem antes, mas não tinha prestado atenção suficiente aos agentes de ligação, "disse Brian Robb, autor principal do novo estudo e doutorando no Departamento de Engenharia Química e Biológica (CHBE). "Você precisa adaptar o quelato para o íon de metal e fizemos um grande trabalho para encontrar o que iria prendê-los firmemente."

Marshak, Robb e o co-autor Jason Farrell personalizado quelato conhecido como PDTA cria um "escudo" em torno do elétron de cromo, evitando que a água atrapalhe o reagente e permitindo que uma das células da bateria disperse 2,13 volts - quase o dobro da média operacional para uma bateria de fluxo.

PDTA é uma derivação do EDTA, um agente já usado em algum sabonete, conservantes de alimentos e tratamentos de água municipal devido às suas propriedades de inibição de bactérias. O EDTA é considerado não tóxico. A química também usa a forma benigna do cromo, o mesmo tipo usado em instrumentos cirúrgicos de aço inoxidável.

"Conseguimos que isso funcionasse em um pH relativamente neutro de 9, ao contrário de outras baterias que usam ácido altamente corrosivo que é difícil de trabalhar e difícil de descartar com responsabilidade, "Robb disse." Isso é mais parecido com sabão em pó. "

"Você poderia pedir 15 toneladas desses materiais amanhã, se quisesse, porque existem fábricas que já os produzem, "Marshak acrescentou.

Marshak e Robb registraram uma patente sobre a inovação com a assistência de CU Boulder Venture Partners. Eles planejam continuar otimizando seu sistema, including scaling it up in the lab in order to cycle the battery for even longer periods of time.

"We've solved the problem on a fundamental level, " Marshak said. "Now there are a lot of things we can try in order to keep pushing the performance limit."