Um novo design de bateria pode ajudar a facilitar a integração de energia renovável na rede elétrica do país a um custo menor, usando metais abundantes na Terra, de acordo com um estudo publicado recentemente na Materiais de armazenamento de energia. Uma equipe de pesquisa, liderada pelo Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste do Departamento de Energia, demonstrou que o novo design para uma bateria de armazenamento de energia da rede construída com os metais de baixo custo sódio e alumínio fornece um caminho para um sistema de armazenamento de energia estacionário mais seguro e escalável.
“Mostramos que este novo design de bateria de sal fundido tem potencial para carregar e descarregar muito mais rápido do que outras baterias convencionais de sódio de alta temperatura, operar em uma temperatura mais baixa e manter uma excelente capacidade de armazenamento de energia”, disse Guosheng Li, cientista de materiais. do PNNL e investigador principal da pesquisa. “Estamos obtendo desempenho semelhante com esta nova química à base de sódio a mais de 100 °C [212 °F] temperaturas mais baixas do que as tecnologias de bateria de sódio de alta temperatura comercialmente disponíveis, enquanto usa um material mais abundante na Terra.”
Mais armazenamento de energia fornecido
Imre Gyuk, diretor do Office of Electricity, Energy Storage Program do DOE, que apoiou esta pesquisa, observou: “Esta tecnologia de bateria, que é construída com materiais de baixo custo disponíveis no mercado interno, nos aproxima um passo em direção às metas de energia limpa de nosso país”.
A nova bateria de sal fundido à base de sódio usa duas reações distintas. A equipe relatou anteriormente uma reação de sal fundido neutro. A nova descoberta mostra que este sal fundido neutro pode sofrer uma reação adicional em um sal fundido ácido. Crucialmente, este segundo mecanismo de reação ácida aumenta a capacidade da bateria. Especificamente, após 345 ciclos de carga/descarga em alta corrente, esse mecanismo de reação ácida reteve 82,8% da capacidade de pico de carga.
A energia que uma bateria pode fornecer no processo de descarga é chamada de densidade de energia específica, que é expressa como “watt-hora por quilograma” (Wh/kg). Embora a bateria esteja em estágio inicial ou teste de “célula tipo moeda”, os pesquisadores especulam que ela pode resultar em uma densidade de energia prática de até 100 Wh/kg. Em comparação, a densidade de energia para baterias de íons de lítio usadas em eletrônicos comerciais e veículos elétricos é de cerca de 170-250 Wh/kg. No entanto, o novo design da bateria de sódio-alumínio tem a vantagem de ser barato e fácil de produzir nos Estados Unidos a partir de materiais muito mais abundantes.
“Com a otimização, esperamos que a densidade de energia específica e o ciclo de vida possam ser ainda maiores e mais longos”, acrescentou Li.
Bateria de sódio mostra sua coragem
De fato, os cientistas do PNNL colaboraram com colegas da pioneira em energia renovável Nexceris, com sede nos Estados Unidos, para montar e testar a bateria. A Nexceris, por meio de seu novo negócio Adena Power, forneceu seu eletrólito de estado sólido patenteado à base de sódio ao PNNL para testar o desempenho da bateria. Este componente crucial da bateria permite que os íons de sódio viajem do lado negativo (ânodo) para o lado positivo (cátodo) da bateria enquanto ela carrega.
“Nosso principal objetivo para esta tecnologia é permitir a transferência diária e de baixo custo de energia solar para a rede elétrica durante um período de 10 a 24 horas”, disse Vince Sprenkle, especialista em tecnologia de bateria PNNL com mais de 30 projetos patenteados para sistemas de armazenamento de energia e tecnologia associada. “Este é um ponto ideal onde podemos começar a pensar em integrar níveis mais altos de energias renováveis na rede elétrica para fornecer resiliência de rede real a partir de recursos renováveis, como energia eólica e solar”.
Sprenkle fez parte da equipe que desenvolveu o novo design flexível desta bateria, que também mudou a bateria de uma forma tubular tradicional para uma forma plana e escalável que pode ser empilhada e expandida com mais facilidade à medida que a tecnologia evolui de baterias do tamanho de moedas para baterias maiores tamanho da demonstração em escala de grade. Mais importante, esse design de célula plana permite que a capacidade da célula seja aumentada simplesmente usando um cátodo mais espesso, que os pesquisadores aproveitaram neste trabalho para demonstrar uma célula de capacidade tripla com descarga sustentada de 28,2 horas em condições de laboratório.
A maioria das tecnologias de bateria atuais, incluindo baterias de íons de lítio, são adequadas para armazenamento de energia de curto prazo. Para atender à demanda por mais de 10 horas de armazenamento de energia, será necessário o desenvolvimento de novos conceitos de bateria de baixo custo, seguros e de longa duração, além das tecnologias de ponta atuais. Esta pesquisa fornece uma demonstração promissora em escala de laboratório para esse objetivo.
Variação sobre um tema de resiliência de grade
A capacidade de armazenar energia gerada por energia renovável e liberá-la sob demanda para a rede elétrica impulsionou rápidos avanços na tecnologia de baterias, com muitos novos designs competindo por atenção e clientes. Cada nova variação deve satisfazer as demandas de seu próprio nicho de uso. Algumas baterias, como aquelas com design de bateria de congelamento e degelo do PNNL, são capazes de armazenar energia gerada sazonalmente por meses a fio.
Comparado com uma bateria sazonal, este novo design é especialmente adequado para armazenamento de energia da rede de curto a médio prazo por 12 a 24 horas. É uma variação do que é chamado de bateria de sódio-metal. Um projeto semelhante empregando um cátodo de níquel como parte do sistema tem se mostrado eficaz em escala comercial e já está disponível comercialmente.
“Eliminamos a necessidade de níquel, um elemento relativamente escasso e caro, sem sacrificar o desempenho da bateria”, disse Li. “Outra vantagem de usar o alumínio sobre o níquel é que o cátodo de alumínio carrega mais rapidamente, o que é crucial para permitir a maior duração da descarga demonstrada neste trabalho.”
Com esse marco alcançado, a equipe está focando em melhorias adicionais para aumentar a duração da descarga, o que pode melhorar muito a flexibilidade da rede para maior incorporação de fontes de energia renováveis.
E, como opera a uma temperatura mais baixa, pode ser fabricado com materiais de bateria baratos, em vez de exigir componentes e processos mais complexos e caros, como nas baterias convencionais de sódio de alta temperatura, disse David Reed, especialista em baterias do PNNL e coautor do estudo. .
Mais armazenamento de energia da rede a um custo menor
Em 2023, o estado da arte para o armazenamento de energia da rede usando baterias de íon-lítio é de cerca de quatro horas de capacidade de armazenamento de energia, disse Sprenkle. “Este novo sistema pode aumentar significativamente a quantidade de capacidade de energia armazenada se pudermos atingir as metas de custo esperadas para materiais e fabricação”, acrescentou.
Como parte do estudo, os pesquisadores estimaram que um design de bateria de sódio-alumínio baseado em matérias-primas baratas poderia custar apenas US$ 7,02 por kWh para os materiais ativos. Através da otimização e aumento da densidade de energia prática, eles projetam que esse custo pode ser reduzido ainda mais. Essa promissora tecnologia de armazenamento em escala de rede, de baixo custo, pode permitir que fontes renováveis intermitentes, como energia eólica e solar, contribuam de forma mais dinâmica para a rede elétrica do país.
Neil Kidner, coautor do estudo e presidente da Adena Power, fabricante de baterias de estado sólido de sódio, está colaborando com o PNNL para aprimorar a tecnologia de baterias à base de sódio. “Esta pesquisa demonstra que nosso eletrólito de sódio funciona não apenas com nossa tecnologia patenteada, mas também com um design de bateria de sódio-alumínio”, disse ele. “Esperamos continuar nossa parceria com a equipe de pesquisa do PNNL para o avanço da tecnologia de baterias de sódio.”
A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Eletricidade do DOE e pelo Programa de P&D de Tecnologia de Energia Colaborativa Internacional do Instituto Coreano de Avaliação e Planejamento de Tecnologia de Energia. O desenvolvimento do eletrólito foi apoiado por um programa DOE Small Business Innovation Research. As medições de ressonância magnética nuclear foram feitas no EMSL, Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação do DOE Office of Science User Facility patrocinada pelo programa de Pesquisa Biológica e Ambiental.
Saiba mais sobre a pesquisa de modernização de grade do PNNL e o Grid Storage Launchpad, inaugurado em 2024.
Com informações de Science Daily.