As baterias estão se aproximando de seus limites em termos de quanta energia eles podem armazenar para um determinado peso. Esse é um sério obstáculo para a inovação energética e a busca de novas maneiras de alimentar aviões, trens e navios. Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares encontraram uma solução que poderia ajudar a eletrificar esses sistemas de transporte.
Em vez de uma bateria, o novo conceito é um tipo de célula de combustível – que é semelhante a uma bateria, mas pode ser rapidamente reabastecida em vez de recarregada. Nesse caso, o combustível é o metallic de sódio líquido, uma mercadoria barata e amplamente disponível. O outro lado da célula é apenas o ar comum, que serve como fonte de átomos de oxigênio. No meio, uma camada de materials de cerâmica sólida serve como eletrólito, permitindo que os íons de sódio passem livremente, e um eletrodo poroso voltado para o ar ajuda o sódio a reagir quimicamente com oxigênio e produzir eletricidade.
Em uma série de experimentos com um dispositivo de protótipo, os pesquisadores demonstraram que essa célula poderia transportar mais de três vezes mais energia por unidade de peso do que as baterias de íons de lítio usadas em praticamente todos os veículos elétricos atualmente. Suas descobertas estão sendo publicadas hoje na revista Jouleem um artigo de estudantes de doutorado do MIT, Karen Sugano, Sunil Mair e Saahir Ganti-Agrawal; Professor de Ciência e Engenharia de Materiais ainda Ming Chiang; e cinco outros.
“Esperamos que as pessoas pensem que essa é uma ideia totalmente louca”, diz Chiang, que é o professor de cerâmica de Kyocera. “Se não o fizessem, ficaria um pouco decepcionado porque, se as pessoas não acham que algo é totalmente louco a princípio, provavelmente não será tão revolucionário”.
E essa tecnologia parece ter o potencial de ser bastante revolucionário, ele sugere. Em explicit, para a aviação, onde o peso é especialmente essential, essa melhora na densidade de energia pode ser a inovação que finalmente torna o vôo elétrico prático em escala significativa.
“O limiar que você realmente precisa para a aviação elétrica realista é de cerca de 1.000 watts por quilograma”, diz Chiang. As baterias de lítio de veículo elétrico de hoje chegam a cerca de 300 watts por quilograma-nem perto do que é necessário. Mesmo a 1.000 watts-horas por quilograma, ele diz, isso não seria suficiente para permitir vôos transcontinentais ou trans-atlânticos.
Isso ainda está além do alcance de qualquer química conhecida da bateria, mas Chiang diz que chegar a 1.000 watts por quilograma seria uma tecnologia capacitadora para a aviação elétrica regional, que representa cerca de 80 % dos vôos domésticos e 30 % das emissões da aviação.
A tecnologia também pode ser um facilitador para outros setores, incluindo transporte marítimo e ferroviário. “Todos eles exigem densidade de energia muito alta e todos exigem baixo custo”, diz ele. “E foi isso que nos atraiu para o metallic de sódio”.
Uma grande quantidade de pesquisas foi realizada no desenvolvimento de baterias de lítio-ar ou ar-ar nas últimas três décadas, mas tem sido difícil torná-las totalmente recarregáveis. “As pessoas estão cientes da densidade de energia que você pode obter com baterias de ar metallic há muito tempo, e tem sido extremamente atraente, mas nunca foi realizado na prática”, diz Chiang.
Ao usar o mesmo conceito eletroquímico básico, apenas tornando -o uma célula de combustível em vez de uma bateria, os pesquisadores conseguiram obter as vantagens da alta densidade de energia em uma forma prática. Ao contrário de uma bateria, cujos materiais são montados uma vez e selados em um recipiente, com uma célula de combustível, os materiais que transportam energia entram e saem.
A equipe produziu duas versões diferentes de um protótipo em escala de laboratório do sistema. Em um, chamado de célula H, dois tubos de vidro vertical são conectados por um tubo no meio, que contém um materials de eletrólito de cerâmica sólido e um eletrodo de ar poroso. O metallic de sódio líquido enche o tubo de um lado e o ar flui através do outro, fornecendo o oxigênio para a reação eletroquímica no centro, que acaba consumindo gradualmente o combustível de sódio. O outro protótipo usa um design horizontal, com uma bandeja do materials eletrólito que mantém o combustível de sódio líquido. O eletrodo de ar poroso, que facilita a reação, é afixado no fundo da bandeja.
Os testes usando uma corrente de ar com um nível de umidade cuidadosamente controlado produziram um nível de quase 1.700 watts-hora por quilograma no nível de uma “pilha” particular person, que se traduziria em mais de 1.000 watts-horas no nível completo do sistema, diz Chiang.
Os pesquisadores prevêem que, para usar esse sistema em uma aeronave, pacotes de combustível contendo pilhas de células, como racks de bandejas de alimentos em uma cafeteria, seriam inseridos nas células de combustível; O metallic de sódio dentro desses pacotes é transformado quimicamente, pois fornece a energia. Um fluxo de seu subproduto químico é emitido e, no caso da aeronave, isso seria emitido na parte traseira, não muito diferente do escapamento de um motor a jato.
Mas há uma diferença muito grande: não haveria emissões de dióxido de carbono. Em vez disso, as emissões, consistindo de óxido de sódio, realmente absorveriam o dióxido de carbono da atmosfera. Esse composto se combinaria rapidamente com a umidade no ar para fazer hidróxido de sódio – um materials comumente usado como um limpador de drenagem – que combina prontamente com dióxido de carbono para formar um materials sólido, carbonato de sódio, que por sua vez forma o bicarbonato de sódio, também conhecido como bicarbonato.
“Há uma cascata pure de reações que acontece quando você começa com metallic de sódio”, diz Chiang. “É tudo espontâneo. Não precisamos fazer nada para que isso aconteça, apenas temos que pilotar o avião”.
Como um benefício adicional, se o produto ultimate, o bicarbonato de sódio, acaba no oceano, pode ajudar a desacidificar a água, combatendo outro dos efeitos prejudiciais dos gases de efeito estufa.
O uso de hidróxido de sódio para capturar dióxido de carbono foi proposto como uma maneira de mitigar as emissões de carbono, mas por si só, não é uma solução econômica porque o composto é muito caro. “Mas aqui, é um subproduto”, explica Chiang, por isso é essencialmente livre, produzindo benefícios ambientais sem nenhum custo.
É importante ressaltar que a nova célula de combustível é inerentemente mais segura do que muitas outras baterias, diz ele. O metallic de sódio é extremamente reativo e deve ser bem protegido. Assim como nas baterias de lítio, o sódio pode acender espontaneamente se exposto à umidade. “Sempre que você tem uma bateria de densidade de energia muito alta, a segurança é sempre uma preocupação, porque se houver uma ruptura da membrana que separa os dois reagentes, você pode ter uma reação em fuga”, diz Chiang. Mas nesta célula de combustível, um lado é apenas o ar, “que é diluído e limitado. Portanto, você não tem dois reagentes concentrados um ao lado do outro. Se você está pressionando por uma densidade de energia muito, muito alta, prefere ter uma célula de combustível do que uma bateria por razões de segurança”.
Embora o dispositivo até agora exista apenas como um pequeno protótipo de célula única, Chiang diz que o sistema deve ser bastante direto para aumentar os tamanhos práticos para comercialização. Os membros da equipe de pesquisa já formaram uma empresa, Propel Aero, para desenvolver a tecnologia. Atualmente, a empresa está alojada na incubadora de startups do MIT, o motor.
Produzir metallic de sódio suficiente para permitir que a implementação international generalizada e em grande escala dessa tecnologia deve ser prática, uma vez que o materials já foi produzido em larga escala antes. Quando a gasolina com chumbo period a norma, antes de ser eliminada, o metallic de sódio period usado para fazer com que o chumbo de tetraetil usado como aditivo e estava sendo produzido nos EUA com capacidade de 200.000 toneladas por ano. “Isso nos lembra que o metallic de sódio já foi produzido em larga escala e manipulado e distribuído com segurança nos EUA”, diz Chiang.
Além disso, o sódio se origina principalmente do cloreto de sódio, ou sal, por isso é abundante, amplamente distribuído em todo o mundo e facilmente extraído, diferentemente do lítio e outros materiais usados nas baterias EV de hoje.
O sistema que eles imaginam usaria um cartucho recarregável, que seria preenchido com metallic de sódio líquido e selado. Quando está esgotado, seria devolvido a uma estação de reabastecimento e carregado de sódio fresco. O sódio derrete a 98 graus Celsius, brand abaixo do ponto de ebulição da água, por isso é fácil aquecer o ponto de fusão para reabastecer os cartuchos.
Inicialmente, o plano é produzir uma célula de combustível do tamanho de tijolos que possa fornecer cerca de 1.000 watts-horas de energia, o suficiente para alimentar um drone grande, a fim de provar o conceito em uma forma prática que poderia ser usada para a agricultura, por exemplo. A equipe espera ter essa demonstração pronta no próximo ano.
Sugano, que conduziu grande parte do trabalho experimental como parte de sua tese de doutorado e agora trabalhará na startup, diz que uma visão importante foi a importância da umidade no processo. Ao testar o dispositivo com oxigênio puro e depois com o ar, descobriu que a quantidade de umidade no ar period essential para tornar a reação eletroquímica eficiente. O ar úmido resultou na produção de seus produtos de descarga em forma líquida e não sólida, facilitando muito a remoção do fluxo de ar através do sistema. “A chave period que podemos formar esse produto de descarga líquido e removê -lo facilmente, em oposição à descarga sólida que se formaria em condições secas”, diz ela.
Ganti-Agrawal observa que a equipe retirou de uma variedade de diferentes subcampos de engenharia. Por exemplo, houve muita pesquisa sobre sódio de alta temperatura, mas nenhum com um sistema com umidade controlada. “Estamos retirando da pesquisa de células de combustível em termos de projetar nosso eletrodo, estamos extraindo da pesquisa de bateria de alta temperatura mais antiga, bem como uma pesquisa de bateria de sódio-ar nascente e meio que se misturando”, o que levou ao “grande inchaço no desempenho” que a equipe alcançou, diz ele.
A equipe de pesquisa também incluiu Alden Friesen, um estagiário de verão do MIT que frequenta a Desert Mountain Excessive Faculty em Scottsdale, Arizona; Kailash Raman e William Woodford, da Kind Vitality, em Somerville, Massachusetts; Shashank Sripad de e Battery Aero, na Califórnia, e Venkatasubramanian Viswanathan, da Universidade de Michigan. O trabalho foi apoiado pela ARPA-E, Breakthrough Vitality Ventures e pela Nationwide Science Basis, e usou instalações no MIT.nano.
