O mundo está esperando por um avanço na bateria. Quase todos os setores da indústria eletrônica, tudo o que funciona com uma bateria, é limitado pela potência de saída e pela vida útil das baterias que o utilizam.
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"O progresso ou o avanço das baterias é muito mais lento do que em outros campos, e isso é uma limitação intrínseca das baterias", diz Stefano Passerini, editor-chefe do Journal of Power Sources . “Você não pode esperar uma bateria que possa fornecer energia a um celular por uma semana ou um mês. No final, a quantidade máxima de energia que você pode armazenar em uma bateria é fixada pelos elementos disponíveis. ”
Mas há progresso. Os pesquisadores estão trabalhando para melhorar a densidade de energia (suco por peso e volume), o preço, a segurança, o impacto ambiental e até mesmo a vida útil das baterias de íon de lítio mais populares, bem como projetar novos tipos.
A maioria das baterias pode ser encontrada em três setores principais: eletrônicos de consumo, armazenamento automotivo e em grade.
"Eu os chamaria de três grandes baldes de onde as pessoas se cruzam com baterias", diz Venkat Srinivasan, vice-diretor de pesquisa e desenvolvimento do Centro Conjunto para Pesquisa de Armazenamento de Energia do Departamento de Energia. Cada balde tem requisitos diferentes e, portanto, as baterias usadas podem (às vezes) ser muito diferentes umas das outras. Esse telefone no bolso precisa de uma bateria compacta e segura, mas o peso e o custo são menos importantes. Escale até baterias automotivas, e com tantas baterias, custo e peso se tornam importantes, assim como ciclo de vida (você ficaria muito louco se o novo Tesla exigisse novas baterias a cada dois anos). Aumente ainda mais, e as baterias que estão começando a ser usadas para armazenar energia para casas e a rede têm muito pouca necessidade de peso ou tamanho.
Por décadas, eletrônicos de consumo - seu telefone, computador, câmera, tablet, drones, até mesmo o relógio - funcionam com baterias de íons de lítio, graças à facilidade de recarga e alta densidade de energia. Nessas baterias, uma rede de grafite, recheada com íons de lítio, forma o ânodo. Um óxido forma o cátodo, conectado ao terminal oposto, e os dois são separados por um eletrólito líquido que permite que os íons passem através dele. Quando os terminais externos são conectados, o lítio oxida e os íons fluem para o cátodo. O carregamento é exatamente o inverso. Quanto mais íons de lítio podem ser transferidos dessa maneira, mais energia a bateria pode suportar. Apreciamos o tamanho compacto e a facilidade de uso, se não a vida útil e a segurança da bateria. Mas pode não haver muito espaço para melhorias, diz Passernini.
“Agora as baterias de íons de lítio estão perto do limite”, diz ele. "Embora já estivéssemos dizendo isso há cerca de 10 anos, e as melhorias nos últimos 10 anos foram bastante substanciais".
No caso dos carros, as baterias são, em última análise, responsáveis pela vida útil do carro e pela temida ansiedade na autonomia quando se trata de carros elétricos. Para resolver esse problema, engenheiros e cientistas estão tentando colocar mais capacidade de voltagem em baterias. Mas isso é frequentemente associado a reações químicas falhas, que diminuem a capacidade ao longo do tempo. Uma grande quantidade de pesquisas é dedicada a encontrar novos materiais e produtos químicos para auxiliar ou substituir a rede de íons de lítio ou outras partes da bateria.
Srinivasan aponta algumas inovações em potencial, e estas não são apenas para carros: a tradicional estrutura de ânodo de grafite pode ser substituída por silício, que contém 10 vezes mais íons de lítio. Mas o silício tende a se expandir à medida que absorve o lítio, então as baterias terão que responder por isso. Ou: em vez da treliça, o metal de lítio poderia atuar como o ânodo - desde que possamos descobrir como evitar que catastroficamente ocorra quando for recarregado. É uma questão que os fabricantes de baterias tentam resolver desde que a bateria de íons de lítio foi inventada décadas atrás. "Ficamos muito esperançosos de que estamos em um momento em que talvez esse problema de 30 anos possa ser resolvido novamente", diz Srinivasan.
Talvez o lítio pudesse ser substituído por completo. Pesquisadores estão procurando maneiras de usar sódio ou magnésio, e o Centro Conjunto para Pesquisa de Armazenamento de Energia está usando modelagem computacional para investigar materiais baseados em óxido, projetados sob medida, que poderiam funcionar como o catodo para um ânodo de magnésio. O magnésio é especialmente atraente porque sua estrutura permite que ele aceite dois elétrons por átomo, duplicando a carga que pode suportar.
Prashant Jain e seus colaboradores da Universidade de Illinois estão trabalhando em uma faceta diferente de baterias de lítio: o eletrólito. O eletrólito é o fluido que preenche o espaço entre o cátion (íon carregado positivamente) e o ânion (íon carregado negativamente), permitindo a passagem de partículas carregadas. Há muito se sabe que certos materiais sólidos, como o seleneto de cobre, também permitem que os íons fluam, mas não com rapidez suficiente para executar dispositivos de alta potência. Jain, professor assistente de química, e seus alunos, desenvolveram um sólido superiônico, feito de nanopartículas de seleneto de cobre, que possui propriedades diferentes. Permite que as partículas carregadas fluam a uma taxa comparável a um eletrólito líquido.
Os benefícios potenciais desta tecnologia são duplos: segurança e ciclo de vida. Se uma bateria atual de íons de lítio for danificada, a bateria ficará curto e se aquecerá. O líquido vaporiza e nada está lá para evitar uma descarga rápida de energia - boom. Um sólido evitará esse curto e permitirá um ânodo totalmente metálico, que oferece uma maior capacidade de energia. Além disso, em ciclos repetidos, os eletrólitos líquidos começam a dissolver o cátodo e o ânodo, e essa é a principal razão pela qual as baterias acabam não conseguindo carregar.
“Houve todas essas melhorias incrementais que realmente fizeram alguns avanços. Mas nunca houve um grande avanço dramático, a tecnologia disruptiva onde se pode dizer agora, o eletrólito sólido realmente corresponde ao potencial em termos de transporte de íons que os eletrólitos líquidos [podem] ”, diz Jain. "Agora que as questões de segurança estão surgindo, com os eletrólitos líquidos, os pesquisadores têm pensado, talvez precisemos pensar em algo dramático com eletrólitos sólidos e, de uma vez por todas, fazer um que possa substituir um eletrólito líquido".
John Goodenough, co-inventor da bateria de íons de lítio, está desenvolvendo uma bateria com um eletrólito à base de vidro. (Escola de Engenharia Cockrell, Universidade do Texas em Austin) Um dos co-inventores da bateria original de íons de lítio está tomando outro rumo para eletrólitos de estado sólido: John Goodenough, professor emérito de engenharia da Universidade do Texas, publicou e apresentou um pedido de patente para uma bateria com um copo. eletrólito baseado em Ao impregnar o vidro com lítio ou sódio, a Goodenough conseguiu permitir que a corrente fluísse ainda mais rapidamente, ao mesmo tempo que previniu curtos-circuitos e aumentava a capacidade de energia com um ânodo sólido.
Toda esta pesquisa vai influenciar as baterias nos nossos bolsos e automóveis. Mas há uma terceira categoria, onde os impactos são globais.
Melanie Sanford está usando ferramentas de modelagem em um tipo diferente de bateria - enormes baterias de fluxo redox que armazenam energia de usinas renováveis e a liberam quando o vento e o sol não estão disponíveis. Encerrar os picos e vales da produção e consumo de energia ajudará as energias renováveis a se expandirem para fornecer mais do que apenas energia suplementar.
A Southern California Edison já está experimentando com bancos de baterias, usando baterias de carros Tesla, mas como as baterias são baseadas em íons de lítio tradicionais, elas são caras demais para serem usadas em uma escala que permitirá a energia renovável global. Além disso, as restrições para uma bateria de grade são muito diferentes de um carro. Peso e tamanho não são um problema, mas o preço e a vida útil são.
Em uma bateria de fluxo redox, o material de armazenamento de energia é mantido em forma líquida em grandes tanques, depois bombeado para uma célula menor, onde reage com um aparelho similar que tem carga oposta. A modelagem computacional permitiu que o laboratório da Sanford desenhasse moléculas orgânicas personalizadas, levando a um aumento de mil vezes, de menos de um dia a meses, na quantidade de tempo que essas moléculas permanecem estáveis.
“Para a fonte em escala de grade, o tipo de coisa que você precisa é de materiais que são super baratos, porque estamos falando de baterias enormes”, diz Sanford. “Estamos falando de um parque eólico e, em seguida, de uma área comparável de armazéns com essas baterias.”
Segundo Sanford, as inovações virão tanto da ciência de materiais - desenvolvendo novos materiais para colocar nossas baterias - quanto de engenheiros que tornarão os sistemas construídos em torno desses materiais mais eficientes. Ambos serão necessários, mas o fluxo da pesquisa para a produção será necessariamente outro gargalo.
"Todo mundo deve estar ciente de que não há uma bateria que possa atender a todas as aplicações", diz Passerini. “Está claro que até ganhar um pouco - 10%, 20% de desempenho - é um grande problema. Precisamos fazer pesquisas no campo. Os cientistas precisam ser apoiados.
