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Os cientistas projectaram uma membrana acessível de ‘bateria de fluxo’ que poderia acelerar a energia renovável para a rede elétrica.

Como você armazena energia renovável para que ela esteja presente quando você precisar, mesmo quando o sol não está brilhando ou o vento não está soprando? Baterias gigantes projectadas para a rede elétrica – chamadas baterias de fluxo, que armazenam eletricidade em tanques de electrólito líquido – podem ser a resposta, mas até agora as empresas de serviços públicos ainda não encontraram uma bateria econômica, capaz de abastecer milhares de residências de maneira confiável. ciclo de vida de 10 a 20 anos.

Agora, uma tecnologia de membrana de bateria desenvolvida por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) pode apontar para uma solução.

Conforme relatado no jornal de Joule, os pesquisadores desenvolveram uma membrana de bateria versátil e acessível – a partir de uma classe de polímeros conhecidos como AquaPIMs. Essa classe de polímeros possibilita baterias de grid duradouras e de baixo custo, baseadas apenas em materiais prontamente disponíveis, como zinco, ferro e água. A equipa também desenvolveu um modelo simples, mostrando como diferentes membranas da bateria afectam a vida útil da bateria, o que deve acelerar o P&D em estágio inicial para tecnologias de bateria de fluxo, particularmente na busca por uma membrana adequada para diferentes químicas da bateria.

“Nossa tecnologia de membrana AquaPIM está bem posicionada para acelerar o caminho para o mercado de baterias de fluxo que usam produtos químicos escaláveis, de baixo custo e à base de água”, disse Brett Helms, pesquisador principal do Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) e cientista da equipe da Molecular Foundry da Berkeley Lab, que liderou o estudo. “Ao usar nossa tecnologia e acompanhar modelos empíricos para desempenho e vida útil da bateria, outros pesquisadores poderão avaliar rapidamente a disponibilidade de cada componente que entra na bateria, da membrana aos materiais de armazenamento de carga. Isso economiza tempo e recursos. para pesquisadores e desenvolvedores de produtos “.

A maioria das químicas de baterias de rede possui elétrodos altamente alcalinos (ou básicos) – um cátodo carregado positivamente de um lado e um ânodo carregado negativamente do outro lado. Mas as atuais membranas de ponta são projetadas para químicas ácidas, como as membranas fluoradas encontradas nas células de combustível, mas não para baterias de fluxo alcalino. (Na química, o pH é uma medida da concentração de íons hidrogênio de uma solução. A água pura tem um pH de 7 e é considerada neutra. As soluções ácidas têm uma alta concentração de íons hidrogênio e são descritas como tendo um pH baixo, ou pH abaixo de 7. Por outro lado, as soluções alcalinas têm baixas concentrações de iões hidrogénio e, portanto, têm um pH alto ou um pH acima de 7. Nas baterias alcalinas, o pH pode ser tão alto quanto 14 ou 15.)

Membranas poliméricas fluoradas também são caras. Segundo Helms, elas podem representar de 15% a 20% do custo da bateria, que pode variar de US $ 300 / kWh.

Uma maneira de reduzir o custo das baterias de fluxo é eliminar completamente as membranas poliméricas fluoradas e criar uma alternativa de alto desempenho e mais barata, como o AquaPIMs, disse Miranda Baran, pesquisadora do grupo de pesquisa Helms e líder do estudo. O autor Baran também é Ph.D. aluno do Departamento de Química da UC Berkeley.

Voltando ao básico

Helms e co-autores descobriram a tecnologia AquaPIM – que significa “polímeros aquosos de microporosidade intrínseca” – enquanto desenvolvia membranas poliméricas para sistemas alcalinos aquosos (ou básicos) como parte de uma colaboração com o co-autor Yet-Ming Chiang , pesquisador principal do JCESR e professor de ciência e engenharia de materiais da Kyocera no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).

Através dessas primeiras experiências, os pesquisadores descobriram que as membranas modificadas com um produto químico exótico chamado “amidoxima” permitiam que os iões viajassem rapidamente entre o ânodo e o cátodo.

Mais tarde, enquanto avaliavam o desempenho e a compatibilidade da membrana AquaPIM com diferentes químicas de baterias de rede – por exemplo, uma configuração experimental usava zinco como ânodo e um composto à base de ferro como cátodo – os pesquisadores descobriram que as membranas AquaPIM levam a células alcalinas notavelmente estáveis .

Além disso, eles descobriram que os protótipos do AquaPIM mantinham a integridade dos materiais de armazenamento de carga no cátodo e no ânodo. Quando os pesquisadores caracterizaram as membranas da Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab, eles descobriram que essas características eram universais nas variantes do AquaPIM.

Baran e seus colaboradores testaram como a membrana AquaPIM funcionaria com um eletrólito alcalino aquoso. Neste experimento, eles descobriram que, em condições alcalinas, as amidoximas ligadas ao polímero são estáveis ​​- um resultado surpreendente, considerando que os materiais orgânicos não são tipicamente estáveis ​​em pH alto.

Essa estabilidade impediu que os poros da membrana do AquaPIM entrassem em colapso, permitindo que eles permanecessem condutores sem perda de desempenho ao longo do tempo, enquanto os poros de uma membrana comercial de fluoro-polímero entraram em colapso conforme o esperado, em detrimento de suas propriedades de transporte de iões, explicou Helms.

Esse comportamento foi corroborado com os estudos teóricos de Artem Baskin, pesquisador de pós-doutorado que trabalha com David Prendergast, que é o director interino da Molecular Foundry da Berkeley Lab e um dos principais pesquisadores do JCESR, juntamente com Chiang e Helms.

Baskin simulou estruturas de membranas AquaPIM usando recursos computacionais no NERSC (Centro Nacional de Pesquisa Científica em Energia da Berkeley Lab) e descobriu que a estrutura dos polímeros que compõem a membrana eram significativamente resistentes ao colapso dos poros sob condições altamente básicas em electrólitos alcalinos.

Um teste de écrans para melhores baterias

Ao avaliar o desempenho da membrana AquaPIM e a compatibilidade com diferentes químicas das baterias da rede, os pesquisadores desenvolveram um modelo que vinculava o desempenho da bateria ao desempenho de várias membranas. Esse modelo poderia prever a vida útil e a eficiência de uma bateria de fluxo sem precisar construir um dispositivo inteiro. Eles também mostraram que modelos semelhantes poderiam ser aplicados a outras substâncias químicas da bateria e suas membranas.

“Normalmente, você teria que esperar semanas, se não meses, para descobrir quanto tempo uma bateria duraria após a montagem de toda a célula. Usando uma tela de membrana simples e rápida, você poderia reduzir isso para algumas horas ou dias”. Helms disse.

Os pesquisadores planeiam aplicar as membranas AquaPIM num escopo mais amplo de químicas de baterias de fluxo aquoso, de metais e inorgânicos a orgânicos e polímeros. Eles também antecipam que essas membranas são compatíveis com outras baterias aquosas de zinco alcalino, incluindo baterias que usam oxigênio, óxido de manganês ou estruturas metálicas orgânicas como cátodo.

Pesquisadores do Berkeley Lab, UC Berkeley, Massachusetts Institute of Technology e Istituto Italiano di Tecnologia participaram do estudo.

Fonte da história:

Materiais fornecidos pelo DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory.

Journal Reference:

  1. Miranda J. Baran, Miles N. Braten, Swagat Sahu, Artem Baskin, Stephen M. Meckler, Longjun Li, Lorenzo Maserati, Mark E. Carrington, Yet-Ming Chiang, David Prendergast, Brett A. Helms. Design Rules for Membranes from Polymers of Intrinsic Microporosity for Crossover-free Aqueous Electrochemical DevicesJoule, 2019; DOI: 10.1016/j.joule.2019.08.025

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