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Um aditivo alimentar e medicinal comum mostrou que pode aumentar a capacidade e a longevidade de um projeto de bateria de fluxo de próxima geração em um experimento recorde.
Uma equipe de pesquisa do Pacific Northwest National Laboratory do Departamento de Energia relata que a bateria de fluxo, um projeto otimizado para armazenamento de energia da rede elétrica, manteve sua capacidade de armazenar e liberar energia por mais de um ano de carga e descarga contínuas.
O estudo, publicado recentemente na revista Joule, detalha o primeiro uso de um açúcar simples dissolvido chamado β-ciclodextrina, um derivado do amido, para aumentar a longevidade e a capacidade da bateria. Em uma série de experimentos, os cientistas otimizaram a proporção de produtos químicos no sistema até atingir 60% a mais de potência de pico. Em seguida, eles reciclaram a bateria repetidamente por mais de um ano, interrompendo o experimento apenas quando o tubo de plástico falhou. Durante todo esse tempo, a bateria de fluxo quase não perdeu sua atividade para recarregar. Este é o primeiro experimento de bateria de fluxo em escala de laboratório a relatar mais de um ano de uso contínuo com perda mínima de capacidade.
O aditivo β-ciclodextrina também é o primeiro a acelerar a reação eletroquímica que armazena e depois libera a energia da bateria de fluxo, em um processo chamado de catálise homogênea. Isso significa que o açúcar faz seu trabalho dissolvido em solução, e não como um sólido aplicado a uma superfície.
“Esta é uma abordagem totalmente nova para o desenvolvimento de eletrólito de bateria de fluxo”, disse Wei Wang, pesquisador de bateria de longa data do PNNL e principal investigador do estudo. “Mostramos que você pode usar um tipo totalmente diferente de catalisador projetado para acelerar a conversão de energia. Além disso, por ser dissolvido no eletrólito líquido, elimina a possibilidade de um sólido desalojar e sujar o sistema.”
O que é uma bateria de fluxo?
Como o próprio nome sugere, as baterias de fluxo consistem em duas câmaras, cada uma preenchida com um líquido diferente. As baterias carregam por meio de uma reação eletroquímica e armazenam energia em ligações químicas. Quando conectados a um circuito externo, eles liberam essa energia, que pode alimentar dispositivos elétricos. As baterias de fluxo diferem das baterias de estado sólido porque possuem dois tanques de suprimento externo de líquido circulando constantemente através delas para fornecer o eletrólito, que é como o “suprimento de sangue” para o sistema. Quanto maior o tanque de abastecimento de eletrólito, mais energia a bateria de fluxo pode armazenar.
Se forem dimensionadas para o tamanho de um campo de futebol ou mais, as baterias de fluxo podem servir como geradores de backup para a rede elétrica. As baterias de fluxo são um dos principais pilares de uma estratégia de descarbonização para armazenar energia a partir de recursos energéticos renováveis. A vantagem é que podem ser construídos em qualquer escala, desde a escala da bancada de laboratório, como no estudo do PNNL, até o tamanho de um quarteirão.
Por que precisamos de novos tipos de baterias de fluxo?
O armazenamento de energia em larga escala fornece uma espécie de apólice de seguro contra interrupções em nossa rede elétrica. Quando o clima severo ou a alta demanda prejudicam a capacidade de fornecer eletricidade para residências e empresas, a energia armazenada em instalações de bateria de fluxo em larga escala pode ajudar a minimizar a interrupção ou restaurar o serviço. Espera-se que a necessidade dessas instalações de baterias de fluxo cresça, já que a geração de eletricidade vem cada vez mais de fontes de energia renováveis, como energia eólica, solar e hidrelétrica. Fontes de energia intermitentes como essas exigem um local para armazenar energia até que seja necessária para atender à demanda do consumidor.
Embora existam muitos projetos de baterias de fluxo e algumas instalações comerciais, as instalações comerciais existentes dependem de minerais extraídos, como o vanádio, que são caros e difíceis de obter. É por isso que as equipes de pesquisa estão buscando tecnologias alternativas eficazes que usam materiais mais comuns, facilmente sintetizados, estáveis e não tóxicos.
“Nem sempre podemos escavar a Terra em busca de novos materiais”, disse Imre Gyuk, diretor de pesquisa de armazenamento de energia no Escritório de Eletricidade do DOE. “Precisamos desenvolver uma abordagem sustentável com produtos químicos que possamos sintetizar em grandes quantidades – assim como as indústrias farmacêutica e alimentícia”.
O trabalho em baterias de fluxo faz parte de um grande programa do PNNL para desenvolver e testar novas tecnologias para armazenamento de energia em escala de rede que será acelerado com a abertura da barra de lançamento de armazenamento em grade do PNNL em 2024.
Uma ‘água com açúcar’ benigna adoça o pote para uma bateria de fluxo eficaz
A equipe de pesquisa do PNNL que desenvolveu este novo design de bateria inclui pesquisadores com experiência em síntese orgânica e química. Essas habilidades foram úteis quando a equipe optou por trabalhar com materiais que não eram usados para pesquisa de baterias, mas que já são produzidos para outros usos industriais.
“Estávamos procurando uma maneira simples de dissolver mais fluorenol em nosso eletrólito à base de água”, disse Ruozhu Feng, o primeiro autor do novo estudo. “A β-ciclodextrina ajudou a fazer isso, modestamente, mas seu benefício real foi essa surpreendente capacidade catalítica”.
Os pesquisadores então trabalharam com o coautor Sharon Hammes-Schiffer, da Universidade de Yale, uma das principais autoridades na reação química subjacente ao impulso catalítico, para explicar como ele funciona.
Conforme descrito no estudo de pesquisa, o aditivo de açúcar aceita prótons carregados positivamente, o que ajuda a equilibrar o movimento de elétrons negativos à medida que a bateria descarrega. Os detalhes são um pouco mais complicados, mas é como se o açúcar adoçasse a panela para permitir que as outras substâncias químicas completassem sua dança química.
O estudo é a próxima geração de um projeto de bateria de fluxo patenteado pelo PNNL descrito pela primeira vez na revista Science em 2021. Lá, os pesquisadores mostraram que outro produto químico comum, chamado fluorenona, é um componente eficaz da bateria de fluxo. Mas esse avanço inicial precisava de melhorias porque o processo era lento em comparação com a tecnologia de bateria de fluxo comercializada. Este novo avanço torna o design da bateria um candidato para ampliação, dizem os pesquisadores.
Ao mesmo tempo, a equipe de pesquisa está trabalhando para melhorar ainda mais o sistema, experimentando outros compostos semelhantes à β-ciclodextrina, mas menores. Como o mel, a adição de β-ciclodextrina também torna o líquido mais espesso, o que é menos do que ideal para um sistema de fluxo. No entanto, os pesquisadores descobriram que seus benefícios superavam suas desvantagens.
Compreender a química complexa que acontece dentro do novo projeto de bateria de fluxo exigiu a experiência de muitos cientistas, incluindo Ying Chen, Xin Zhang, Peiyuan Gao, Ping Chen, Sebastian Mergelsberg, Lirong Zhong, Aaron Hollas, Yangang Lian, Vijayakumar Murugesan, Qian Huang, Eric Walter e Yuyan Shao do PNNL, e Benjamin JG Rousseau e Hammes-Schiffer de Yale, além de Feng e Wang.
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