Novas ferramentas mostram um caminho para o armazenamento em grande escala de energia renovável

Uma técnica baseada nos princípios da RMN e RMN permitiu aos investigadores observar não só como funcionam as baterias da próxima geração para armazenamento de energia em grande escala, mas também como falham, o que ajudará no desenvolvimento de estratégias para prolongar a vida útil das baterias em apoio à transição para um futuro de carbono zero.

As novas ferramentas, desenvolvidas por investigadores da Universidade de Cambridge, ajudarão os cientistas a conceber sistemas de baterias mais eficientes e seguros para o armazenamento de energia à escala da rede. Além disso, a técnica pode ser aplicada a outros tipos de baterias e células electroquímicas para desenredar os complexos mecanismos de reacção que ocorrem nestes sistemas, e para detectar e diagnosticar falhas.

Os investigadores testaram as suas técnicas em baterias de fluxo orgânico redox, prometendo candidatos a armazenar energia renovável suficiente para alimentar cidades, mas que se degradam demasiado depressa para aplicações comerciais. Os investigadores descobriram que ao carregarem as baterias a uma voltagem mais baixa, conseguiram abrandar significativamente a taxa de degradação, prolongando a vida útil das baterias. Osresultados estão publicados na revista Nature.

As baterias são uma peça vital da transição para longe das fontes de energia baseadas em combustíveis fósseis. Sem baterias capazes de armazenamento à escala da rede, será impossível alimentar a economia utilizando apenas energia renovável. E as baterias de iões de lítio, embora adequadas para a electrónica de consumo, não são facilmente dimensionadas até um tamanho suficiente para armazenar energia suficiente para alimentar uma cidade inteira, por exemplo. Os materiais inflamáveis nas baterias de iões de lítio também representam potenciais riscos de segurança. Quanto maior for a bateria, mais danos potenciais poderá causar se pegar fogo.

As baterias de fluxo Redox são uma solução possível para este puzzle tecnológico. Consistem em dois tanques de líquido electrolítico, um positivo e outro negativo, e podem ser aumentados apenas aumentando o tamanho dos tanques, tornando-os altamente adequados para o armazenamento de energia renovável. Estas pilhas não inflamáveis, ou mesmo do tamanho de um edifício, podem desempenhar um papel fundamental nas futuras redes de energia verde.

Várias empresas estão actualmente a desenvolver baterias de fluxo redox para aplicações comerciais, a maioria das quais utiliza o vanádio como electrólito. No entanto, o vanádio é caro e tóxico, pelo que os investigadores de baterias estão a trabalhar para desenvolver uma bateria de fluxo redox baseada em materiais orgânicos que são mais baratos e mais sustentáveis. No entanto, estas moléculas tendem a degradar-se rapidamente.

"Uma vez que as moléculas orgânicas tendem a degradar-se rapidamente, significa que a maioria das baterias que as utilizam como electrólitos não duram muito tempo, tornando-as impróprias para aplicações comerciais", disse o Dr. Evan Wenbo Zhao do Departamento de Química de Cambridge, e o primeiro autor do artigo. "Embora já o soubéssemos há algum tempo, o que nem sempre compreendemos é por que razão isto está a acontecer".

Agora, Zhao e os seus colegas do grupo de investigação da Professora Clare Grey em Cambridge, juntamente com colaboradores do Reino Unido, Suécia e Espanha, desenvolveram duas novas técnicas para espreitar dentro das baterias de fluxo redox orgânico, a fim de compreender porque é que o electrólito se decompõe e melhorar o seu desempenho.

Utilizando estudos de ressonância magnética nuclear (RMN) em "tempo real", uma espécie de "RMN funcional para baterias", e métodos desenvolvidos pelo grupo do Professor Grey, os investigadores foram capazes de ler sinais de ressonância das moléculas orgânicas, tanto nos seus estados originais como à medida que se degradavam em outras moléculas. Estes estudos 'operando' NMR sobre a degradação e auto-descarga em baterias de fluxo redox proporcionam conhecimentos sobre os mecanismos internos subjacentes às reacções, tais como formação radical e transferências de electrões entre as diferentes espécies redox-activas nas soluções.

"Há poucos estudos mecanicistas insitu de baterias de fluxo orgânico redox, sistemas que são actualmente limitados por questões de degradação", disse Grey. "Precisamos de compreender tanto o funcionamento destes sistemas como a sua falha, se quisermos progredir neste campo".

Os investigadores descobriram que, sob certas condições, as moléculas orgânicas tinham tendência a degradar-se mais rapidamente. "Se alterarmos as condições de carga carregando a uma voltagem mais baixa, o electrólito dura mais tempo", disse Zhao. "Também podemos alterar a estrutura das moléculas orgânicas para que se degradem mais lentamente". Agora compreendemos melhor porque é que as condições de carga e as estruturas moleculares são importantes".

Os investigadores querem agora aplicar a sua configuração NMR a outros tipos de baterias de fluxo redox orgânico, bem como a outros tipos de baterias da próxima geração, tais como baterias de lítio-ar.

"Estamos entusiasmados com a vasta gama de potenciais aplicações deste método para monitorizar uma variedade de sistemas electroquímicos enquanto estão a ser operados", disse Grey.

Por exemplo, a técnica NMR será utilizada para desenvolver um dispositivo portátil de 'exame de saúde' das baterias para diagnosticar o seu estado.

"Utilizando um tal dispositivo, poderia ser possível verificar o estado do electrólito numa bateria de fluxo orgânico redox em funcionamento e substituí-lo se necessário", disse Zhao. "Uma vez que o electrólito para estas baterias é barato e não tóxico, este seria um processo relativamente simples, prolongando a vida útil destas baterias".

A investigação foi financiada em parte pelo Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e pela Shell.

Autor: Universidade de Cambridge

Crédito da imagem: Desencadear

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