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Devido às crescentes preocupações ambientais, a produção global de energia está mudando de combustíveis fósseis para sistemas de energia sustentáveis e renováveis, como energia solar e eólica. Apesar de suas vantagens, eles têm duas fraquezas significativas: produção de energia volátil e fornecimento irregular. Portanto, eles são aumentados com sistemas de armazenamento de energia (ESSs). As baterias de íons de lítio estão na vanguarda dos ESSs, mas são propensas a incêndios devido a eletrólitos inflamáveis e materiais à base de lítio. A bateria de zinco-bromo sem fluxo (FLZBB), que usa eletrólitos não inflamáveis, é uma alternativa promissora, oferecendo custo-benefício e uma plataforma de bateria simples.
Um FLZBB consiste em um eletrodo positivo, um eletrodo negativo, um eletrólito e um separador para manter os eletrodos separados. Ao contrário das baterias convencionais de zinco-bromo, o eletrólito no FLZBB não precisa ser bombeado e, em vez disso, é mantido em um recipiente semelhante a um gel. O feltro de grafite (GF) é amplamente usado como um eletrodo em muitas baterias redox devido à sua estabilidade em eletrólitos ácidos. No entanto, em FLZBBs, os íons de bromo e polibrometo são formados dentro do eletrodo GF-positivo durante o carregamento. Esses materiais ativos podem escapar e se difundir descontroladamente para o eletrodo negativo, causando autodescarga, o que afeta severamente o desempenho e a vida útil. Muitos estudos exploraram abordagens para suprimir esse fenômeno de crossover, no entanto, a autodescarga continua sendo um grande problema para FLZBBs.
Para abordar essa questão, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Professor Chanho Pak e incluindo o aluno de mestrado e doutorado integrado Youngin Cho (primeiro autor) da Graduate School of Energy Convergence, Institute of Integrated Technology no Gwangju Institute of Science and Technology, Coreia, desenvolveu um novo eletrodo GF espesso revestido de carbono mesoporoso dopado com nitrogênio (NMC/GF). O estudo foi disponibilizado online em 22 de abril de 2024 e publicado no Volume 490 do Chemical Engineering Journal em 15 de junho de 2024.
Os pesquisadores fabricaram os eletrodos NMC/GF usando um método de automontagem induzido por evaporação simples e econômico. Neste método, um feltro GF imaculado foi revestido com materiais precursores e misturado em um solvente, seguido de secagem e cura. Quando aplicados a um FLZBB, os novos eletrodos efetivamente suprimiram o cruzamento dos materiais ativos e impediram a autodescarga. Este sucesso foi atribuído aos mesoporos presentes nas fibras GF nos eletrodos NMC/GF.
O Prof. Pak explica: “O revestimento NMC nos eletrodos GF introduziu mesoporos com sítios de nitrogênio estrategicamente incorporados, que serviram como uma fortaleza, capturando o bromo e os complexos de bromo no eletrodo positivo, suprimindo o crossover de bromo e os fenômenos de autodescarga. Além disso, esse revestimento tornou os eletrodos GF originais hidrofóbicos ultra-hidrofílicos, melhorando o contato interfacial com o eletrólito no eletrólito aquoso e aprimorando o desempenho eletroquímico. Além disso, permitiu a incorporação de espécies abundantes de oxigênio e nitrogênio, o que melhorou as velocidades de reação do bromo, aumentando ainda mais o desempenho.”
O FLZBB com eletrodos NMC/GF demonstrou excelentes eficiências coulômbicas e energéticas de 96% e 76%, respectivamente, a uma densidade de corrente de 20 mA cm-2bem como uma capacidade de área de alta taxa de 2 mAh cm-2. Além disso, a bateria exibiu durabilidade sem precedentes, com estabilidade de ciclo de carga/descarga estendida para mais de 10.000 ciclos. Além disso, o eletrodo GF espesso usado pode potencialmente reduzir o preço geral da bateria.
Destacando a importância dessa conquista, o Prof. Pak diz: “O desenvolvimento do eletrodo positivo FLZBB, que mantém a operação de longo prazo por mais de 10.000 ciclos com alta eficiência, acelerará o desenvolvimento de ESSs estáveis e conversão de energia ecologicamente correta a longo prazo. Além disso, o eletrodo positivo NMC/GF também pode ser usado para outras baterias aquosas.”
Essa tecnologia inovadora pode permitir aplicações práticas de FLZBB, resultando em ESSs mais seguros e sistemas de energia renovável mais estáveis.
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