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Uma nova forma de bateria do Laboratório de Armazenamento e Conversão de Energia do Prof. Y. Shirley Meng – uma colaboração entre a Escola Pritzker de Engenharia Molecular da UChicago e o Departamento de Engenharia Química e Nano da Família Aiiso Yufeng Li da Universidade da Califórnia em San Diego – traz baterias baratas, de carregamento rápido e de alta capacidade para veículos elétricos e armazenamento em rede mais perto do que nunca. Crédito: Escola Pritzker de Engenharia Molecular da UChicago / John Zich
Pesquisadores do Laboratório de Armazenamento e Conversão de Energia do Professor Y. Shirley Meng da Universidade de Chicago criaram a primeira bateria de estado sólido de sódio sem ânodo.
Ao desenvolver esta bateria, o LESC — uma iniciativa colaborativa entre a Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e o Departamento de Engenharia Química e Nanoengenharia da Família Aiiso Yufeng Li da Universidade da Califórnia em San Diego — trouxe a realidade de baterias baratas, de carregamento rápido e de alta capacidade para veículos elétricos e armazenamento em rede mais perto do que nunca.
“Embora já tenham existido baterias de sódio, de estado sólido e sem ânodo, ninguém conseguiu combinar com sucesso essas três ideias até agora”, disse o candidato a doutorado da UC San Diego, Grayson Deysher, primeiro autor de um novo artigo descrevendo a pesquisa.
Avanços em Energia Sustentável
Publicado recentemente em Energia da Naturezao artigo revela uma nova arquitetura de bateria de sódio com ciclo estável por várias centenas de ciclos. Ao remover o ânodo e usar sódio barato e abundante em vez de lítio, essa nova forma de bateria será mais acessível e ecologicamente correta de produzir. Por meio de seu design inovador de estado sólido, a bateria também será segura e potente.
Este trabalho é tanto um avanço na ciência quanto um passo necessário para preencher a lacuna de escala de baterias necessária para a transição da economia mundial dos combustíveis fósseis. “Para manter os Estados Unidos funcionando por uma hora, precisamos produzir um terawatt-hora de energia”, disse Meng. “Para cumprir nossa missão de descarbonizar nossa economia, precisamos de várias centenas de terawatt-hora de baterias. Precisamos de mais baterias, e precisamos delas rápido.”
O candidato a PhD da UC San Diego Grayson Deysher é o primeiro autor do artigo descrevendo o trabalho da equipe. O candidato a PhD da UC San Diego Grayson Deysher é o primeiro autor do artigo descrevendo o trabalho da equipe. Crédito: David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering
A promessa do sódio em vez do lítio
O lítio comumente usado para baterias é escasso. Ele compõe cerca de 20 partes por milhão da crosta terrestre, em comparação com o sódio, que compõe 20.000 partes por milhão. Essa escassez, combinada com o aumento na demanda por baterias de íons de lítio para laptops, telefones e EVs, levou ao aumento dos preços, colocando as baterias necessárias ainda mais fora de alcance.
Os depósitos de lítio também estão concentrados. O “Triângulo do Lítio” do Chile, Argentina e Bolívia detém mais de 75% do suprimento mundial de lítio, com outros depósitos na Austrália, Carolina do Norte e Nevada. Isso beneficia algumas nações em detrimento de outras na descarbonização necessária para combater as mudanças climáticas.
“A ação global requer trabalho conjunto para acessar materiais de importância crítica”, disse Meng.
A extração de lítio também é prejudicial ao meio ambiente, seja pelos ácidos industriais usados para quebrar o minério de mineração ou pela extração de salmoura mais comum que bombeia grandes quantidades de água para a superfície para secar. O sódio, comum na água do oceano e na mineração de carbonato de sódio, é um material de bateria inerentemente mais ecológico. A pesquisa do LESC também o tornou poderoso.
a) Esquema de célula para ânodos de carbono, ânodos de liga e uma configuração sem ânodo. b) Comparação teórica de densidade de energia para vários materiais de ânodo de sódio. c) Esquema ilustrando os requisitos para habilitar uma bateria de estado sólido sem ânodo. Crédito: Laboratory for Energy Storage and Conversion
Novas Inovações Arquitetônicas
Para criar uma bateria de sódio com a densidade de energia de uma bateria de lítio, a equipe precisava inventar uma nova arquitetura de bateria de sódio. Baterias tradicionais têm um ânodo para armazenar os íons enquanto uma bateria está carregando. Enquanto a bateria está em uso, os íons fluem do ânodo através de um eletrólito para um coletor de corrente (cátodo), alimentando dispositivos e carros ao longo do caminho.
Baterias sem ânodo removem o ânodo e armazenam os íons em uma deposição eletroquímica de metal alcalino diretamente no coletor de corrente. Essa abordagem permite maior voltagem de célula, menor custo de célula e maior densidade de energia, mas traz seus próprios desafios.
“Em qualquer bateria sem ânodo, é preciso haver um bom contato entre o eletrólito e o coletor de corrente”, disse Deysher. “Isso é tipicamente muito fácil ao usar um eletrólito líquido, pois o líquido pode fluir para todos os lugares e molhar todas as superfícies. Um eletrólito sólido não pode fazer isso.”
No entanto, esses eletrólitos líquidos criam um acúmulo chamado interfase de eletrólito sólido enquanto consomem continuamente os materiais ativos, reduzindo a utilidade da bateria ao longo do tempo.
Novas abordagens e perspectivas futuras
A equipe adotou uma abordagem nova e inovadora para esse problema. Em vez de usar um eletrólito que envolve o coletor de corrente, eles criaram um coletor de corrente que envolve o eletrólito. Eles criaram seu coletor de corrente a partir de pó de alumínio, um sólido que pode fluir como um líquido.
Durante a montagem da bateria, o pó foi densificado sob alta pressão para formar um coletor de corrente sólido, mantendo um contato semelhante ao de um líquido com o eletrólito, permitindo o ciclo de baixo custo e alta eficiência que pode impulsionar essa tecnologia revolucionária.
“Baterias de estado sólido de sódio são geralmente vistas como uma tecnologia de um futuro distante, mas esperamos que este artigo possa revigorar mais impulso na área de sódio, demonstrando que ela pode realmente funcionar bem, até melhor do que a versão de lítio em alguns casos”, disse Deysher.
O objetivo final? Meng prevê um futuro energético com uma variedade de opções de baterias limpas e baratas que armazenam energia renovável, dimensionadas para atender às necessidades da sociedade.
Meng e Deysher entraram com um pedido de patente para seu trabalho no Escritório de Inovação e Comercialização da UC San Diego.
Referência: “Princípios de design para habilitar uma bateria de sódio totalmente sólida sem ânodo” por Grayson Deysher, Jin An Sam Oh, Yu-Ting Chen, Baharak Sayahpour, So-Yeon Ham, Diyi Cheng, Phillip Ridley, Ashley Cronk, Sharon Wan-Hsuan Lin, Kun Qian, Long Hoang Bao Nguyen, Jihyun Jang e Ying Shirley Meng, 3 de julho de 2024, Energia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41560-024-01569-9
Financiamento: O financiamento para apoiar este trabalho foi fornecido pela National Science Foundation por meio da bolsa Partnerships for Innovation (PFI) nº 2044465