Ciência: "Bateria de alumínio-enxofre recarrega em menos de um minuto"

Os três componentes primários da bateria são, da esquerda para a direita: alumínio, enxofre e cristais de sal-gema.  [Imagem: Rebecca Miller]

Por Redação do Site Inovação Tecnológica

Baterias líquidas

"As baterias líquidas, ou baterias de fluxo, podem resolver o problema da intermitência das energias renováveis, como eólica e solar, armazenando a energia em compostos químicos, revertendo o processo à noite ou quando os ventos estiverem fracos.

O desafio tem sido encontrar compostos químicos que permitam fazer isto de modo a atender simultaneamente aos critérios de viabilidade técnica e viabilidade econômica.

Nessa tentativa, uma equipe internacional (Canadá, China e EUA) decidiu inverter o modo tradicional com que são feitas as pesquisas sobre novas baterias: Em vez de pesquisar os compostos mais eficientes no armazenamento de energia e depois tentar baratear os custos, Quanquan Pang e seus colegas pegaram os elementos mais baratos e começaram a ver o melhor que daria para fazer com eles.

Bateria de alumínio-enxofre

A equipe começou estudando a tabela periódica, procurando metais baratos e abundantes na Terra que pudessem substituir o raro e caro lítio. O metal comercialmente dominante, o ferro, não tem as propriedades eletroquímicas adequadas para uma bateria eficiente, mas o segundo metal mais abundante no mercado, o alumínio, tem essas propriedades - na verdade, o alumínio é o metal mais abundante na Terra em termos de composição planetária.

Já o mais barato de todos os não-metais é o enxofre, de modo que ele se tornou o material preferido para o segundo eletrodo.

Faltava decidir então o que colocar como eletrólito, o material para colocar entre os dois eletrodos para transportar íons para frente e para trás durante o carregamento e descarregamento da bateria.

A equipe testou alguns polímeros, mas acabou voltando as atenções para uma variedade de sais fundidos, que têm pontos de fusão relativamente baixos - perto do ponto de ebulição da água, em oposição a mais de 500 ºC para muitos sais. Uma temperatura mais baixa barateia tudo porque dispensa o uso de isolamentos térmicos especiais e medidas anticorrosivas.

Além de construir uma bateria barata, a equipe constatou que sua bateria apresenta um desempenho técnico melhor do que eles próprios esperavam.  

A bateria de enxofre-alumínio não sofre com o temível problema dos dendritos.
[Imagem: Quanquan Pang et al. - 10.1038/s41586-022-04983-9]

Recarregamento ultrarrápido

Os primeiros protótipos suportaram centenas de ciclos de carga e descarga - chegar à casa dos milhares é importante para a viabilidade comercial - e atingiram uma velocidade de recarregamento surpreendentemente alta, alcançando a carga máxima em menos de um minuto - a taxa de carregamento é altamente dependente da temperatura de trabalho, com o recarregamento a 110 ºC sendo 25 vezes mais rápido do que a 25 ºC.

Essa velocidade de recarregamento se tornou possível graças a uma vantagem inesperada oferecida pelo sal fundido que a equipe escolheu como eletrólito. Um dos maiores problemas na confiabilidade de uma bateria está na formação de dendritos, que são pontas finas de metal que se acumulam no eletrodo, eventualmente crescendo até entrar em contato com o outro eletrodo, causando um curto-circuito. Mas esse sal em particular, graças ao seu baixo ponto de fusão, é muito bom para evitar esse mau funcionamento.

Além disso, a bateria não requer nenhuma fonte de calor externa para manter sua temperatura operacional: O calor é naturalmente produzido eletroquimicamente pela carga e descarga da bateria.

Essa nova formulação de bateria é ideal para instalações do tamanho necessário para alimentar uma única casa ou uma pequena e média empresa, produzindo na ordem de algumas dezenas de quilowatts-hora. Para instalações maiores, na escala de dezenas a centenas de megawatts-hora, a equipe ainda aposta em outra tecnologia, as baterias de metal líquido que eles próprios criaram há alguns anos e que esperam colocar no mercado no próximo ano.

A menor escala das baterias de alumínio-enxofre também pode torná-las práticas para uso como estações de carregamento de veículos elétricos. Por isso a equipe também já está tentando levantar fundos para viabilizar sua comercialização."

Bibliografia:

Artigo: Fast-charging aluminium-chalcogen batteries resistant to dendritic shorting
Autores: Quanquan Pang, Jiashen Meng, Saransh Gupta, Xufeng Hong, Chun Yuen Kwok, Ji Zhao, Yingxia Jin, Like Xu, Ozlem Karahan, Ziqi Wang, Spencer Toll, Liqiang Mai, Linda F. Nazar, Mahalingam Balasubramanian, Badri Narayanan, Donald R. Sadoway
Revista: Nature
Vol.: 608, pages 704-711
DOI: 10.1038/s41586-022-04983-9

Fonte: Inovação Tecnológica