Bateria de fluxo de baixo custo pode funcionar por mais de uma década com manutenção mínima

Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, desenvolveram uma nova bateria de fluxo que armazena energia em moléculas orgânicas dissolvidas em água com pH neutro. Essa nova química permite a produção de uma bateria não tóxica, não corrosiva, com uma vida útil excepcionalmente longa e oferece o potencial para diminuir significativamente os custos de produção. A pesquisa, publicada na ACS Energy Letters, foi liderada pelos professores Michael Aziz e Roy Gordon.

As baterias de fluxo armazenam energia em soluções líquidas em tanques externos – quanto maiores os tanques, mais energia elas armazenam. As baterias de fluxo são uma solução de armazenamento promissora para energias renováveis e intermitentes, como eólica e solar – mas as baterias de fluxo de hoje muitas vezes sofrem degradação da capacidade de armazenamento de energia após certa quantidade de ciclos de carga/descarga, exigindo manutenção periódica do eletrólito para a restauração da capacidade.

Modificando as estruturas das moléculas usadas nas soluções de eletrólitos positivos e negativos, e tornando-as solúveis em água, a equipe de Harvard conseguiu criar uma bateria que perde apenas 1% de sua capacidade por 1000 ciclos. “As baterias de íon-lítio nem sobrevivem a 1000 ciclos completos de carga/descarga”, disse o professor Aziz.

“Esta é uma bateria duradoura que você poderia colocar em seu porão porque nós fomos capazes de dissolver os eletrólitos em água neutra,”, disse Gordon. “Se derramasse no chão, ela não comeria o concreto e, uma vez que o meio não é corrosivo, você poderia usar materiais mais baratos para construir os componentes das baterias, como tanques e bombas”.

Redução de custo

A redução de custo é importante. O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) estabeleceu um objetivo de construir uma bateria que pode armazenar energia por menos de US$ 100 por quilowatt-hora, o que faria os armazenamentos de energia eólica e solar competitivos com relação à energia produzida a partir de centrais eléctricas tradicionais.

“Se você pode chegar perto deste custo-alvo, então você muda o mundo”, disse Aziz

Baterias do futuro

“Este trabalho sobre os eletrólitos orgânicos solúveis aquosos é de grande significado ao apontar o caminho para baterias futuras com vida de ciclo vastamente melhorado e custo consideravelmente menor”, disse Imre Gyuk, Diretor de Pesquisa de Armazenamento de Energia no Escritório de Eletricidade do DOE. “Espero que as baterias de fluxo de longa duração, eficientes, se tornem padrão como parte da infraestrutura da rede elétrica.”

A chave para projetar a bateria foi descobrir por que as moléculas anteriores estavam se degradando tão rapidamente em soluções neutras, disse Eugene Beh, pesquisador pós-doutorado e primeiro autor do artigo. Ao identificar pela primeira vez como a molécula viologen, no eletrólito negativo, estava se decompondo, Beh foi capaz de modificar sua estrutura molecular para torná-la mais resistente.

Em seguida, a equipe voltou-se para o ferroceno, uma molécula bem conhecida por suas propriedades eletroquímicas, no eletrólito positivo.

“Ferroceno é grande para armazenar carga, mas é completamente insolúvel em água”, disse Beh. “Ele tem sido usado em outras baterias com solventes orgânicos, que são inflamáveis ​​e caros.”

Mas funcionalizando as moléculas de ferroceno do mesmo modo que foi feito com o viologen, a equipe foi capaz de transformar uma molécula insolúvel em altamente solúvel, com ciclo estável.

“Os ferrocenos solúveis aquosos representam uma classe inteiramente nova de moléculas para baterias de fluxo“, disse Aziz.

O pH neutro deve ser especialmente útil na redução do custo da membrana seletiva de íons que separa os dois lados da bateria. A maioria das baterias de fluxo hoje usa polímeros caros que podem suportar a química agressiva dentro da bateria. Eles podem representar até um terço do custo total do dispositivo. Com essencialmente água salgada em ambos os lados da membrana, polímeros caros podem ser substituídos por hidrocarbonetos baratos.

Com a ajuda do Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard (OTD), os pesquisadores estão trabalhando com várias empresas para ampliar a tecnologia para aplicações industriais e para otimizar as interações entre a membrana e o eletrólito. A Harvard OTD arquivou um portfólio de patentes pendentes sobre inovações em tecnologia de bateria de fluxo.