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Uma explicação de por que as baterias de fluxo que usam o metal cério em um eletrólito de ácido sulfúrico ficam aquém da voltagem, descoberta por meio de um estudo conduzido pela Universidade de Michigan, pode abrir caminho para uma melhor química da bateria.
As baterias de fluxo são um dos métodos considerados para armazenar fontes intermitentes de eletricidade renovável, como energia solar e eólica. Eles podem armazenar grandes quantidades de energia mantendo o potencial químico na forma líquida, com dois eletrólitos que fluem através de eletrodos porosos para carregar e descarregar. O metal cério pode armazenar energia a uma voltagem relativamente alta, o que significa mais energia por íon metálico, e com baixo custo.
Um dos desafios do cério é descobrir como fazer com que as cargas elétricas sejam transferidas de e para o eletrodo com eficiência. Em seu caminho através do eletrodo positivo, o cério pega ou deixa cair um elétron, dependendo se a bateria está carregando ou descarregando.
No entanto, o cério em um eletrólito de ácido sulfúrico não capta e libera o elétron tão rapidamente quanto o esperado, o que significa que a energia é desperdiçada. Descobriu-se que as moléculas de água e as moléculas de sulfato estavam fazendo uma dança complicada em torno do cério, e foi assim que a energia foi perdida.
“Através deste estudo, temos uma melhor compreensão de como os íons de cério se comportam em eletrólitos ácidos durante a transferência de carga”, disse Cailin Buchanan, um recém-formado em engenharia química pela UM e primeiro autor do artigo na revista. JACS Au.
“Esse entendimento ajudará a nós e a futuros pesquisadores a projetar baterias mais eficientes à base de cério, com menos perda de tensão durante o carregamento e o descarregamento”.
A equipe examinou de perto o que estava acontecendo quando o cério captou e soltou elétrons, usando a absorção de raios-X para ficar de olho nas ligações e associações entre o cério, sulfatos e água. Esses experimentos foram feitos no Argonne National Laboratory. Eles seguiram essas medições com simulações de computador, lideradas por Bryan Goldsmith, professor assistente de engenharia química da Dow Corning na UM.
“Descobrimos que quando o cério tem três elétrons curtos, ele é apenas cercado por moléculas de água, enquanto quando desiste desse quarto elétron, os íons sulfato ou bissulfato estão pendurados no íon cério”, disse Nirala Singh, professor assistente de engenharia química da UM. e autor correspondente do estudo, que liderou o experimento.
“Como resultado disso, quando oxidamos o cério tirando esse elétron, ou o reduzimos devolvendo o elétron, ocorre uma transferência de elétrons e as moléculas ao seu redor precisam se reorganizar.”
Ao entender a energia associada a esse rearranjo estrutural, os pesquisadores conseguiram explicar por que a reação é assimétrica, onde a oxidação e a redução se comportam de maneira diferente. Por causa disso, a teoria básica para prever as taxas de transferência de elétrons, conhecida como teoria de Marcus, não é suficiente. Em vez disso, a equipe descobriu que é possível usar a teoria de Marcus para descobrir a peça de transferência de elétrons e, em seguida, adicionar os efeitos do rearranjo em um processo de duas etapas.
“A complexação desigual entre as formas oxidadas e reduzidas de cério faz com que as taxas de reação diminuam, e esse conhecimento informará as estratégias de design de eletrólitos para cério ou outras baterias de fluxo semelhantes”, disse Singh.
Usando o método de duas etapas da equipe, os pesquisadores serão capazes de identificar eletrólitos que têm taxas de reação rápidas, produzindo altas eficiências. Em última análise, o objetivo é usar eletrólitos que não armazenem diferentes quantidades de energia nos complexos ao redor do íon de cério oxidado ou reduzido.
Além de abrir novos caminhos no armazenamento de energia em escala de rede, essa descoberta pode melhorar outros processos químicos que dependem do cério, como a fabricação de produtos à base de carbono e a descontaminação de águas residuais.
A pesquisa é apoiada pela Universidade de Michigan e pelo Dow Sustainability Fellows Program. Eletrodos para preparar os íons de cério foram fornecidos por De Nora.
Os recursos de computação foram fornecidos pelo Centro de Computação Científica de Pesquisa de Energia Nacional do Departamento de Energia e pelo Ambiente de Descoberta de Ciência e Engenharia Extrema da National Science Foundation.
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