Os cientistas liderados por um pesquisador da Universidade Estadual do Oregon desenvolveram um novo eletrólito que aumenta a eficiência do ânodo de metal de zinco nas baterias de zinco para quase 100%, um avanço no caminho para uma alternativa às baterias de íons de lítio para armazenamento de energia em larga escala.
A pesquisa faz parte de uma busca global em andamento para novas químicas de baterias capazes de armazenar energia solar e eólica renováveis na rede elétrica para uso quando o sol não estiver brilhando e o vento não está soprando.
Xiulei [David "da OSU College of Science e uma colaboração que incluía a HP Inc. e a Grotthuss Inc., uma empresa de spinout do estado de Oregon, relatou suas descobertas na sustentabilidade da natureza .
[O avanço representa um avanço significativo para tornar as baterias de metal de zinco mais acessíveis aos consumidores ", disse Ji. [Essas baterias são essenciais para a instalação de parques solares e eólicos adicionais. Além disso, oferecem uma solução segura e eficiente para armazenamento de energia doméstica , bem como módulos de armazenamento de energia para comunidades vulneráveis a desastres naturais ".
Uma bateria armazena eletricidade na forma de energia química e através de reações a converte em energia elétrica. Existem muitos tipos diferentes de baterias, mas a maioria funciona da mesma maneira básica e contém os mesmos componentes básicos. Cada bateria possui dois eletrodos - o ânodo, do qual os elétrons fluem para um circuito externo, e o cátodo, que adquire elétrons do circuito externo - e do eletrólito, o meio químico que separa os eletrodos e permite o fluxo de íons entre eles .
Baterias à base de zinco são densas e abundantes de meta níquel. O cobalto e o níquel também são tóxicos e podem contaminar os ecossistemas e fontes de água se lixiviarem os aterros sanitários. Além disso, os eletrólitos nas baterias de íons de lítio são comumente dissolvidos em solventes orgânicos inflamáveis que geralmente se decompõem em altas tensões de operação. Outras preocupações de segurança incluem dendritos, que se assemelham a pequenas árvores que crescem dentro de uma bateria. Eles podem perfurar o separador como os cardos que crescem através de rachaduras em uma garagem, levando a reações químicas indesejadas e às vezes inseguras.
[As baterias de metal de zinco são uma das principais tecnologias de candidatos para armazenamento de energia em larga escala ", disse Ji. [Nosso novo eletrólito híbrido usa água e um solvente comum de bateria, que não é inflamável, econômico e de baixo impacto ambiental. O eletrólito é feito de uma mistura dissolvida de sais de cloreto baratos, com o principal cloreto de zinco ".
O custo da eletricidade entregue por uma instalação de armazenamento que consiste em baterias de zinco só pode ser competitiva com eletricidade produzida por combustível fóssil se a bateria tiver uma longa vida útil de milhares de ciclos, disse Ji. Até o momento, no entanto, a vida útil do ciclo foi limitada pelo fraco desempenho de reversibilidade do ânodo de zinco. Durante o carregamento, explica Ji, os cátions de zinco nos elétrons de ganho de eletrólitos e são plaqueados na superfície do ânodo. Durante a descarga, o ânodo banhado cede elétrons para a carga de trabalho, sendo dissolvido no eletrólito.
[Este processo de plating de zinco e dissolução é frequentemente lamentavelmente irreversível ", disse Ji. [Ou seja, alguns elétrons usados no revestimento não podem ser recuperados durante a descarga. Este é um problema em uma área conhecida como eficiência coulômbica".
A eficiência coulombic, ou CE, é uma medida de quão bem os elétrons são transferidos em baterias, a proporção da carga total extraída da bateria para a carga colocada no ciclo total. As baterias de íons de lítio podem ter um CE superior a 99%.
O novo eletrólito desenvolvido por JI e colaboradores, incluindo cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Penn State e a Universidade da Califórnia, Riverside, permitiu um CE de 99,95%.
[O principal desafio com as baterias de zinco é que o zinco reage com a água no eletrólito para gerar gás hidrogênio no que é chamado de reação de evolução de hidrogênio ", disse Ji. [Essa reação parasitária causa uma vida útil curta do ciclo e também é um potencial risco de segurança. "
O novo eletrólito, no entanto, restringe a reatividade da água e quase desliga a reação da evolução do hidrogênio, formando uma [camada de passivação "na superfície do ânodo. Uma camada de passivação semelhante é o que permitiu a comercialização inicial das baterias de íons de lítio na 1990. Ji credita o colega de química da OSU Chong Fang por descobrir a estrutura atômica do eletrólito usando a espectroscopia Raman de femtossegundos e Alex Greaney na UC Riverside para determinar o mecanismo de passivação.
[Além disso, vale a pena notar que a eficiência que medimos está em condições adversas que não mascaram nenhum dano causado pela reação da evolução do hidrogênio ", acrescentou Ji. [O avanço relatado aqui anuncia a comercialização próxima do futuro das baterias de metal de zinco para armazenamento de grade em larga escala. "
Kyriakos Stylianou, da OSU, também participou desta pesquisa, que foi apoiada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA.
