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Fontes de energia renováveis como a eólica e a solar são essenciais para sustentar nosso planeta, mas elas vêm com um grande desafio: elas nem sempre geram energia quando é necessário. Para aproveitá-las ao máximo, precisamos de maneiras eficientes e acessíveis de armazenar a energia que elas produzem, para que tenhamos energia mesmo quando o vento não estiver soprando ou o sol não estiver brilhando.
Os cientistas de materiais da Columbia Engineering têm se concentrado no desenvolvimento de novos tipos de baterias para transformar a forma como armazenamos energia renovável. Em um novo estudo publicado em 5 de setembro por Comunicações da Natureza, a equipe usou baterias K-Na/S que combinam elementos baratos e facilmente encontrados — potássio (K) e sódio (Na), juntamente com enxofre (S) — para criar uma solução de baixo custo e alta energia para armazenamento de energia de longa duração.
“É importante que possamos estender o tempo de operação dessas baterias e que possamos fabricá-las de forma fácil e barata”, disse o líder da equipe, Yuan Yang, professor associado de ciência e engenharia de materiais no Departamento de Física Aplicada e Matemática da Columbia Engineering. “Tornar a energia renovável mais confiável ajudará a estabilizar nossas redes de energia, reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis e apoiar um futuro energético mais sustentável para todos nós.”
Novo eletrólito ajuda baterias K-Na/S a armazenar e liberar energia de forma mais eficiente
Existem dois grandes desafios com baterias K-Na/S: elas têm baixa capacidade porque a formação de K2S2 e K2S sólidos inativos bloqueia o processo de difusão e sua operação requer temperaturas muito altas (>250 oC) que precisam de gerenciamento térmico complexo, aumentando assim o custo do processo. Estudos anteriores lutaram com precipitados sólidos e baixa capacidade e a busca tem sido por uma nova técnica para melhorar esses tipos de baterias.
O grupo de Yang desenvolveu um novo eletrólito, um solvente de acetamida e ε-caprolactama, para ajudar a bateria a armazenar e liberar energia. Este eletrólito pode dissolver K2S2 e K2S, aumentando a densidade de energia e a densidade de potência de baterias K/S de temperatura intermediária. Além disso, ele permite que a bateria opere em uma temperatura muito mais baixa (em torno de 75 °C) do que os designs anteriores, enquanto ainda atinge quase a capacidade máxima possível de armazenamento de energia.
“Nossa abordagem alcança capacidades de descarga quase teóricas e ciclo de vida estendido. Isso é muito empolgante no campo de baterias K/S de temperatura intermediária”, disse o coautor do estudo Zhenghao Yang, um aluno de doutorado com Yang.
Caminho para um futuro energético sustentável
O grupo de Yang é afiliado ao Columbia Electrochemical Energy Center (CEEC), que adota uma abordagem multiescala para descobrir tecnologia inovadora e acelerar a comercialização. O CEEC reúne professores e pesquisadores de toda a School of Engineering and Applied Science que estudam energia eletroquímica com interesses que vão de elétrons a dispositivos e sistemas. Suas parcerias industriais permitem a realização de avanços em armazenamento e conversão de energia eletroquímica.
Planejando expandir
Embora a equipe esteja atualmente focada em baterias pequenas, do tamanho de uma moeda, seu objetivo é, eventualmente, aumentar essa tecnologia para armazenar grandes quantidades de energia. Se forem bem-sucedidas, essas novas baterias podem fornecer um suprimento de energia estável e confiável de fontes renováveis, mesmo em períodos de pouco sol ou vento. A equipe agora está trabalhando na otimização da composição do eletrólito.
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