A energia photo voltaic e a eólica estão a transformar rapidamente o panorama energético – mas se quisermos concretizar todo o potencial destas fontes de energia renováveis e intermitentes, precisaremos de baterias seguras e acessíveis, capazes de armazená-la.
Como parte de um esforço para superar o desafio do armazenamento de energia a longo prazo, os engenheiros da Universidade de Wisconsin-Madison inventaram um aditivo químico solúvel em água que melhora o desempenho de um tipo de armazenamento eletroquímico chamado bateria de fluxo aquoso de brometo.
“As baterias de fluxo aquoso à base de brometo são uma solução promissora, mas há muitos problemas eletroquímicos complicados com elas. É por isso que não existem produtos à base de brometo realmente bem-sucedidos hoje”, diz Patrick Sullivan, que se formou na UW-Madison com doutorado em química em 2023. “Ainda assim, nosso único aditivo pode resolver muitos problemas diferentes.”
Sullivan, o estudante de doutorado Gyohun Choi, e Dawei Feng, professor assistente de ciência e engenharia de materiais na UW-Madison, desenvolveram o aditivo. A pesquisa foi publicada em 23 de outubro de 2024, pela revista Nature.
Atualmente, baterias gigantes de íons de lítio do tamanho de um trator armazenam energia para a rede – mas com limitações técnicas. As baterias de lítio apresentam preocupações de segurança devido ao potencial de incêndios e explosões e a uma complicada cadeia de abastecimento internacional.
Baterias de fluxo aquoso, no entanto, poderiam tornar o armazenamento em escala de rede mais seguro e barato. Nessas baterias, eletrólitos líquidos positivos e negativos circulam sobre eletrodos separados por uma membrana. Como as baterias utilizam íons dissolvidos em um líquido – água – elas podem ser escaláveis, sustentáveis e seguras.
As baterias de fluxo mais maduras comercialmente são baseadas em íons vanádio, que, como o lítio, são caros e difíceis de obter. No entanto, outra versão dessas baterias de fluxo depende do brometo, um íon barato e amplamente disponível que tem desempenho semelhante ao vanádio – pelo menos no papel.
Na prática, porém, pequenos íons brometo causam todo tipo de problemas em baterias de fluxo. Eles podem passar pela membrana que separa os eletrodos e isso reduz a eficiência da bateria. Às vezes, os íons precipitam do eletrólito e formam um óleo confuso que “afunda” no fundo da solução. Ocasionalmente, os íons também formam gás bromo tóxico. Esses problemas prejudicam o desempenho prático e a confiabilidade.
Um aditivo chamado agente complexante pode ajudar. Choi decidiu encontrar um aditivo que melhorasse o desempenho da bateria de fluxo aquoso de brometo. Os pesquisadores usaram o design molecular para projetar mais de 500 moléculas orgânicas candidatas que eles chamam de “armadilhas zwitteriônicas moles e duras”. Eles sintetizaram e testaram 13 dessas moléculas representativas como potenciais aditivos para as baterias de brometo.
Os aditivos multifuncionais resultantes resolvem os principais problemas da bateria de fluxo. Ele encapsula os íons brometo, permitindo que permaneçam solúveis em água e, como o complexo resultante agora é maior, eles não conseguem passar através da membrana. Os íons também são “estáveis em fase”, o que significa que não se separam do eletrólito da água nem criam gás bromo tóxico.
É importante ressaltar que os aditivos melhoram drasticamente o desempenho da bateria de fluxo, aumentando a eficiência e a longevidade do sistema químico. “Nossos dispositivos com o aditivo funcionaram sem deterioração por quase dois meses, em comparação com aqueles sem ele, que normalmente falham em um dia”, diz Feng. “Isso é importante porque, para o armazenamento de energia verde, você deseja usá-la por 10 ou 20 anos”.
A equipe planeja continuar refinando o trabalho. Choi estudará a ciência basic por trás dos aditivos para baterias de fluxo de brometo e iodeto, enquanto Sullivan, que é CEO da Flux XII – uma empresa derivada de energia renovável que ele co-fundou com Feng – explorará a viabilidade comercial do aditivo, que tem já foi produzido com sucesso em reações industriais em escala de toneladas.
Dawei Feng é professor assistente de Y. Austin Chang em ciência e engenharia de materiais. Outros autores do UW-Madison incluem Xiu-Liang Lv, Wenjie Li, Kwanpyung Lee, Haoyu Kong, Sam Gessler e JR Schmidt.
