Bateria de ferro totalmente líquida armazena energias renováveis

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/04/2024

A bateria aquosa de fluxo redox de ferro (Fe) captura energia na forma de elétrons (e-) de fontes de energia renováveis e a armazena alterando a carga do ferro no eletrólito líquido. Quando a energia armazenada é necessária, o ferro libera a carga para fornecer energia à rede elétrica.
[Imagem: Sara Levine/PNNL]

Fluxo favorável

Um produto químico comum e barato, usado em instalações de tratamento de água, foi reposicionado para ajudar no armazenamento de energia em grande escala, em um novo projeto de bateria de fluxo à base de ferro.

Ao contrário das baterias convencionais, que possuem uma quantidade definida de eletrólito em seu interior, as baterias de fluxo apresentam dois tanques externos de abastecimento de líquido que circulam constantemente. Elas são carregadas por meio de uma reação eletroquímica ocorrendo no líquido que sai do tanque primário, armazenando então essa energia em ligações químicas no líquido que chega ao tanque secundário. Para extrair a energia, é só inverter o processo.

É por isso que elas são chamadas de baterias do tipo "encha o tanque" - para aumentar sua capacidade, basta construir tanques maiores ou usar vários tanques.

Gabriel Nambafu e colegas do Laboratório Nacional do Pacífico Noroeste (PNNL), nos EUA, criaram agora uma bateria de fluxo segura, econômica, totalmente líquida e usando apenas materiais à base de água. Seu elemento central é o ferro, um dos metais mais abundantes na Terra, fornecendo um caminho economicamente viável para a incorporação em larga escala de fontes de energia intermitentes, como a energia eólica e solar, na rede elétrica.

A bateria à base de ferro apresentou uma estabilidade de ciclagem notável durante o teste, de mil ciclos de carregamento consecutivos, mantendo 98,7% de sua capacidade máxima. Para comparação, protótipos anteriores de baterias semelhantes à base de ferro apresentaram degradação da capacidade de carga duas ordens de magnitude maior, em menos ciclos de carga.

"Uma célula completa de teste demonstrou excepcional estabilidade de ciclagem em mais de 1000 ciclos de carga/descarga e desempenhos notáveis, incluindo 96% de utilização da capacidade, uma taxa de desvanecimento da capacidade mínima de 0,0013% por ciclo (1,3% em 1.000 ciclos), alta eficiência coulombiana e eficiência energética próxima de 100% e 87%, respectivamente, todas alcançadas sob uma densidade de corrente de 20 mA.cm^-2," escreveu a equipe.

Esquema das reações nas quais se baseia a bateria líquida à base de ferro.
[Imagem: Gabriel S. Nambafu et al. - 10.1038/s41467-024-45862-3]

Bateria de fluxo de ferro

Baterias de fluxo à base de ferro projetadas para armazenamento de energia em grande escala existem desde a década de 1980, e existem até algumas disponíveis comercialmente.

O que torna esta nova bateria diferente é que ela armazena energia em uma fórmula química líquida única que combina ferro carregado com um eletrólito líquido à base de fosfato de pH neutro. Esse composto químico transportador de energia, conhecido como NTMPA (trifosfonato nitrogenado, ácido nitrilotri-metilfosfônico), está comercialmente disponível em quantidades industriais porque é usado para inibir a corrosão em estações de tratamento de água.

Os fosfonatos, incluindo o NTMPA, são uma ampla família química baseada no elemento fósforo. Muitos fosfonatos dissolvem-se bem em água e são produtos químicos não tóxicos utilizados em fertilizantes e detergentes, entre outros usos.

"Estávamos procurando um eletrólito que pudesse ligar e armazenar ferro carregado em um complexo líquido à temperatura ambiente e condições operacionais amenas com pH neutro," contou o professor Guosheng Li. "Nosso próximo passo será melhorar o desempenho da bateria, concentrando-nos em aspectos como saída de tensão e concentração de eletrólitos, o que ajudará a aumentar a densidade de energia. Nossa saída de tensão é inferior à saída típica de uma bateria de fluxo de vanádio. Estamos trabalhando em maneiras de melhorar isso."

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