Pesquisadores criam baterias de fluxo menores e mais baratas para energia limpa – Ciência

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A energia limpa é a principal solução para as mudanças climáticas. Mas as energias solar e eólica são inconsistentes em produzir energia suficiente para uma rede elétrica confiável. Alternativamente, as baterias de íons de lítio podem armazenar energia, mas são um recurso limitado.

“A vantagem de uma usina de energia a carvão é que ela é muito estável”, disse Nian Liu, professor assistente do Instituto de Tecnologia da Geórgia. “Se a fonte de energia flutua como acontece com a energia limpa, torna-se mais difícil de gerenciar, então como podemos usar um dispositivo ou sistema de armazenamento de energia para suavizar essas flutuações?”

As baterias de fluxo oferecem uma solução. Os eletrólitos fluem através das células eletroquímicas dos tanques de armazenamento nesta bateria recarregável. As tecnologias de bateria de fluxo existentes custam mais de US$ 200/quilowatt-hora e são muito caras para aplicação prática, mas o laboratório de Liu na Escola de Engenharia Química e Biomolecular (ChBE) desenvolveu uma configuração de célula de bateria de fluxo mais compacta que reduz o tamanho da célula em 75% e, consequentemente, reduz o tamanho e o custo de toda a bateria de fluxo. O trabalho pode revolucionar a forma como tudo, desde grandes edifícios comerciais até residências, é alimentado.

A equipe de pesquisa da Georgia Tech publicou suas descobertas no artigo “A Sub-Millimeter Bundled Microtubular Flow Battery Cell With Ultra-high Volumetric Power Density”, em Anais da Academia Nacional de Ciências.

Encontrando o Fluxo

As baterias de fluxo recebem o nome da célula de fluxo onde ocorre a troca de elétrons. Seu projeto convencional, a célula planar, requer distribuidores de fluxo volumosos e juntas, aumentando o tamanho e o custo, mas diminuindo o desempenho geral. A própria célula também é cara. Para reduzir a pegada e o custo, os pesquisadores se concentraram em melhorar a densidade de potência volumétrica da célula de fluxo (W/L-of-cell).

Eles se voltaram para uma configuração comumente usada em separação química – membrana microtubular agrupada submilimétrica (SBMT) – feita de uma membrana de filtro em forma de fibra conhecida como fibra oca. Essa inovação tem um design que economiza espaço e pode reduzir a pressão nas membranas pelas quais os íons passam sem precisar de infraestrutura de suporte adicional.

“Estávamos interessados ​​no efeito da geometria do separador de bateria no desempenho das baterias de fluxo”, disse Ryan Lively, professor da ChBE. “Estávamos cientes das vantagens que as fibras ocas conferem às membranas de separação e nos propusemos a perceber essas mesmas vantagens no campo da bateria.”

Aplicando esse conceito, os pesquisadores desenvolveram um SMBT que reduz a distância membrana a membrana em quase 100 vezes. A membrana microtubular no projeto funciona como um distribuidor de eletrólito ao mesmo tempo sem a necessidade de grandes materiais de suporte. Os microtubos agrupados criam uma distância menor entre eletrodos e membranas, aumentando a densidade de potência volumétrica. Este projeto de agrupamento é a descoberta chave para maximizar o potencial das baterias de fluxo.

Alimentando a bateria

Para validar sua nova configuração de bateria, os pesquisadores usaram quatro químicas diferentes: vanádio, brometo de zinco, brometo de quinona e iodeto de zinco. Embora todas as químicas sejam funcionais, duas foram as mais promissoras. O vanádio era a química mais madura, mas também menos acessível, e sua forma reduzida é instável no ar. Eles descobriram que o iodeto de zinco era a opção mais densa em energia, tornando-o mais eficaz para unidades residenciais. O iodeto de zinco oferece muitas vantagens, mesmo em comparação com o lítio: tem menos problemas na cadeia de suprimentos e também pode ser transformado em óxido de zinco e dissolvido em ácido, facilitando muito a reciclagem.

Esta solução eletroquímica para esta forma única da bateria de fluxo provou ser mais poderosa do que as células planares convencionais.

“O desempenho superior do SMBT também foi demonstrado pela análise de elementos finitos”, disse Xing Xie, professor assistente da Escola de Engenharia Civil e Ambiental. “Este método de simulação também será aplicado em nosso estudo futuro para otimização e aumento de escala do desempenho celular”.

Com a química de iodeto de zinco, a bateria pode funcionar por mais de 220 horas ou > 2.500 ciclos em condições de pico. Também poderia reduzir o custo de US$ 800 para menos de US$ 200 por quilowatt/hora usando eletrólito reciclado.

Construindo o Futuro da Energia

Os pesquisadores já estão trabalhando na comercialização, focando no desenvolvimento de baterias com diferentes químicas como vanádio e aumentando seu tamanho. O dimensionamento exigirá a criação de um processo automatizado para fabricar um módulo de fibra oca, que agora é feito manualmente, fibra por fibra. Eles eventualmente esperam implantar a bateria na microrrede de 1,4 megawatt da Georgia Tech em Tech Square, um projeto que testa a integração da microrrede na rede elétrica e oferece um laboratório vivo para professores e alunos.

As células SBMT também podem ser aplicadas a diferentes sistemas de armazenamento de energia, como eletrólise e células de combustível. A tecnologia pode até ser fortalecida com materiais avançados e diferentes químicas em várias aplicações.

“Essa inovação é muito voltada para aplicativos”, disse Liu. “Temos a necessidade de alcançar a neutralidade de carbono aumentando a porcentagem de energia renovável em nossa geração de energia e, no momento, é inferior a 15% nos EUA. Nossa pesquisa pode mudar isso.”

Com informações de Science Daily.

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