Como você armazena energia renovável para que esteja lá quando você precisar, mesmo quando o sol não está brilhando ou o vento não está soprando? Baterias gigantes projetadas para a rede elétrica - chamadas baterias de fluxo, que armazenam eletricidade em tanques de eletrólito líquido - poderia ser a resposta, mas, até agora, as concessionárias ainda precisam encontrar uma bateria econômica que possa alimentar de forma confiável milhares de residências durante um ciclo de vida de 10 a 20 anos.

Agora, uma tecnologia de membrana de bateria desenvolvida por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) pode apontar para uma solução.

Conforme relatado no jornal de Joule , os pesquisadores desenvolveram uma membrana de bateria versátil, porém acessível - de uma classe de polímeros conhecida como AquaPIMs. Esta classe de polímeros torna possível baterias de grade de longa duração e baixo custo com base exclusivamente em materiais prontamente disponíveis, como zinco, ferro, e água. A equipe também desenvolveu um modelo simples mostrando como diferentes membranas de bateria afetam a vida útil da bateria, que deve acelerar o estágio inicial de P&D para tecnologias de bateria de fluxo, particularmente na busca de uma membrana adequada para diferentes químicas de bateria.

"Nossa tecnologia de membrana AquaPIM está bem posicionada para acelerar o caminho para o mercado de baterias de fluxo que usam escalonáveis, baixo custo, produtos químicos à base de água, "disse Brett Helms, um investigador principal do Centro Conjunto para Pesquisa de Armazenamento de Energia (JCESR) e cientista da equipe de Fundição Molecular do Laboratório de Berkeley que liderou o estudo. "Ao usar nossa tecnologia e os modelos empíricos que os acompanham para desempenho e vida útil da bateria, outros pesquisadores serão capazes de avaliar rapidamente a prontidão de cada componente que vai para a bateria, da membrana para os materiais de armazenamento de carga. Isso deve economizar tempo e recursos para pesquisadores e desenvolvedores de produtos. "

A maioria das químicas de bateria de grade tem eletrodos altamente alcalinos (ou básicos) - um cátodo carregado positivamente em um lado, e um ânodo carregado negativamente do outro lado. Mas as membranas de última geração são projetadas para produtos químicos ácidos, como as membranas fluoradas encontradas nas células de combustível, mas não para baterias de fluxo alcalino. (Em química, O pH é uma medida da concentração de íons de hidrogênio de uma solução. A água pura tem um pH de 7 e é considerada neutra. As soluções ácidas têm uma alta concentração de íons de hidrogênio, e são descritos como tendo um baixo pH, ou um pH abaixo de 7. Por outro lado, soluções alcalinas têm baixas concentrações de íons de hidrogênio e, portanto, têm um pH alto, ou um pH acima de 7. Em baterias alcalinas, o pH pode ser tão alto quanto 14 ou 15.)

As membranas de polímero fluorado também são caras. De acordo com Helms, eles podem representar de 15% a 20% do custo da bateria, que pode rodar na faixa de $ 300 / kWh.

Uma maneira de reduzir o custo das baterias de fluxo é eliminar completamente as membranas de polímero fluorado e chegar a uma alternativa de alto desempenho, porém mais barata, como AquaPIMs, disse Miranda Baran, um estudante de pós-graduação pesquisador no grupo de pesquisa de Helms e o principal autor do estudo. Baran também é Ph.D. estudante do Departamento de Química da UC Berkeley.

Voltando ao básico

Helms e co-autores descobriram a tecnologia AquaPIM - que significa "polímeros aquosos compatíveis de microporosidade intrínseca" - ao desenvolver membranas poliméricas para sistemas aquosos alcalinos (ou básicos) como parte de uma colaboração com o co-autor Yet-Ming Chiang, pesquisador principal do JCESR e professor de Ciência e Engenharia de Materiais da Kyocera no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).

Por meio desses primeiros experimentos, os pesquisadores descobriram que as membranas modificadas com uma substância química exótica chamada "amidoxima" permitiam que os íons viajassem rapidamente entre o ânodo e o cátodo.

Mais tarde, ao avaliar o desempenho da membrana AquaPIM e compatibilidade com diferentes químicos de bateria de grade, por exemplo, uma configuração experimental usou zinco como ânodo e um composto à base de ferro como cátodo - os pesquisadores descobriram que as membranas AquaPIM levam a células alcalinas notavelmente estáveis.

Além disso, eles descobriram que os protótipos do AquaPIM retinham a integridade dos materiais de armazenamento de carga no cátodo, bem como no ânodo. Quando os pesquisadores caracterizaram as membranas na Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab, os pesquisadores descobriram que essas características eram universais nas variantes do AquaPIM.

Baran e seus colaboradores testaram então como uma membrana AquaPIM funcionaria com um eletrólito alcalino aquoso. Neste experimento, eles descobriram que em condições alcalinas, as amidoximas ligadas ao polímero são estáveis ​​- um resultado surpreendente, considerando que os materiais orgânicos não são normalmente estáveis ​​em pH alto.

Tal estabilidade evitou o colapso dos poros da membrana AquaPIM, permitindo assim que eles permaneçam condutores sem qualquer perda de desempenho ao longo do tempo, ao passo que os poros de uma membrana comercial de fluoropolímero colapsaram conforme o esperado, em detrimento de suas propriedades de transporte de íons, Helms explicou.

Esse comportamento foi ainda corroborado com estudos teóricos de Artem Baskin, um pesquisador de pós-doutorado que trabalha com David Prendergast, que é o diretor interino da Fundição Molecular do Berkeley Lab e o principal investigador do JCESR junto com Chiang e Helms.

Baskin simulou estruturas de membranas AquaPIM usando recursos computacionais do Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab e descobriu que a estrutura dos polímeros que compõem a membrana eram significativamente resistentes ao colapso dos poros sob condições altamente básicas em eletrólitos alcalinos.

Um teste de tela para baterias melhores

Ao avaliar o desempenho da membrana AquaPIM e compatibilidade com diferentes químicas de bateria de grade, os pesquisadores desenvolveram um modelo que vinculava o desempenho da bateria ao desempenho de várias membranas. Este modelo pode prever a vida útil e a eficiência de uma bateria de fluxo sem ter que construir um dispositivo inteiro. Eles também mostraram que modelos semelhantes podem ser aplicados a outras químicas de bateria e suas membranas.

"Tipicamente, você teria que esperar semanas, senão meses, para descobrir quanto tempo uma bateria vai durar depois de montar a célula inteira. Usando uma tela de membrana simples e rápida, você pode reduzir isso para algumas horas ou dias, "Helms disse.

Em seguida, os pesquisadores planejam aplicar membranas AquaPIM em um escopo mais amplo de produtos químicos de bateria de fluxo aquoso, de metais e inorgânicos a orgânicos e polímeros. Eles também antecipam que essas membranas são compatíveis com outras baterias alcalinas de zinco aquosas, incluindo baterias que usam oxigênio, óxido de manganês, ou estruturas metal-orgânicas como cátodo.

Pesquisadores do Berkeley Lab, UC Berkeley, Instituto de Tecnologia de Massachusetts, e Istituto Italiano di Tecnologia participaram do estudo.