Baterias Recicláveis no Horizonte Substituindo Eletrólitos Orgânicos por Água

Baterias de Água & Segurança contra Incêndios

Por anos, as baterias de íon‑lítio têm sido a forma dominante de bateria no mercado, tanto para eletrônicos quanto para veículos elétricos. Isso se deve ao seu perfil excepcional em termos de densidade de energia e segurança geral. Mas quando falham, tendem a fazê‑lo de maneira espetacular, com incêndios muito intensos que são difíceis de apagar. Isso também é um problema quando as baterias chegam ao fim de sua vida e precisam ser recicladas.

Um cenário de pior caso ocorre quando a falha de uma bateria provoca uma cascata de incêndios nas baterias adjacentes, uma preocupação muito real ao construir parques de baterias com íon‑lítio para grandes sistemas de escala utilitária. O risco de incêndio nas baterias de lítio provém principalmente dos eletrólitos orgânicos inflamáveis usados para conectar o ânodo e o cátodo da bateria.

Pesquisadores da RMIT in Australia podem ter encontrado uma solução substituindo os eletrólitos por água. A equipe é liderada pelo Prof. Tianyi Ma (esquerda), que trabalhou no projeto com o Dr. Lingfeng Zhu (direita).

Fonte: RMIT

As chamadas baterias de água, ou baterias aquosas de íons metálicos, não conseguem iniciar um incêndio nem explodir. Elas também apresentam baixa toxicidade tanto para humanos quanto para o meio ambiente.

Promessas das Baterias de Água

O design das baterias de água baseia‑se em elementos simples como zinco e magnésio, que são abundantes e de baixa toxicidade, reduzindo os custos de fabricação e facilitando a produção em massa.

Na prática, isso significa que as baterias de água podem assumir várias formas. Por exemplo, elas podem ser na forma de uma magnesium-ion battery ou ammonia-ion.

E a equipe do Prof. Tianyi está trabalhando para tornar essas baterias comercialmente viáveis, resolvendo os detalhes que até agora impediram sua adoção.

Um exemplo é a melhoria de um eletrodo de manganês, criando capacitores usando magnésio e manganês e alcançando “128,39 Wh/kg com capacidade de ciclagem ultra‑longa, mantendo 85 % da capacitância após 6000 ciclos“

As propriedades eletroquímicas excepcionais e as implicações críticas de segurança de um eletrólito aquoso tornam este MIC aquoso promissor para aplicações de armazenamento de energia em grande escala. Além disso, a estratégia do conceito de construção de defeitos duplos cátion‑ânion deve fornecer insights essenciais para a fabricação de baterias recarregáveis baseadas em íons metálicos.

Fonte: Energy Storage Material

Resolvendo Dendritos

Outro problema enfrentado pela maioria das baterias é o crescimento progressivo de dendritos na bateria. Dendritos são estruturas metálicas pontiagudas que podem, ao longo do tempo, criar curtos‑circuitos (e incêndios no caso do íon‑lítio). As baterias de água também são vulneráveis ao problema dos dendritos.

Ao revestir as partes metálicas da bateria com bismuto, cria‑se uma camada protetora que bloqueia a formação de dendritos.

Isso torna as novas baterias significativamente mais duráveis que as baterias de íon‑lítio, adequadas para uso intensivo como pacotes de baterias de escala utilitária, ou talvez até veículos comerciais. Especialmente por serem muito mais seguras, são, consequentemente, uma boa candidata para ampliar a seleção de químicas alternativas ao íon‑lítio, especialmente para escala utilitária (algo que exploramos mais em nosso artigo “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, incluindo quais empresas estão trabalhando para produzi‑las em escala comercial).

“Baterias de água de íon‑magnésio têm o potencial de substituir as baterias de chumbo‑ácido a curto prazo – de um a três anos – e de substituir potencialmente as baterias de íon‑lítio a longo prazo, de 5 a 10 anos a partir de agora.”

Pr Tianyi Ma

As Baterias de Água são o Caminho a Seguir?

Os baterias de escala utilitária provavelmente serão radicalmente diferentes das baterias de veículos elétricos, pois as duas não operam sob as mesmas restrições:

• Baterias de veículos elétricos devem ser leves e compactas, muito densas em energia e carregar rapidamente.
• Baterias de escala utilitária devem ser baratas, muito duráveis, estáveis/seguras e basear‑se em materiais abundantes que podem ser obtidos em grandes quantidades.

E mesmo no campo das baterias de escala utilitária, várias químicas provavelmente compartilharão o mercado por anos, senão décadas.

Isso ocorre porque cada uma terá suas próprias vantagens e casos de uso, como diferentes prazos, armazenando energia para o ciclo noite/dia ou por semanas.

E porque, em qualquer caso, a adoção em massa de renováveis significa a adoção em massa de baterias, e diversificar os materiais evitará um choque de preços em metais que não são raros, mas também não estão em superabundância, como:

• Zinco (baterias de zinco)
• Magnésio (íon‑magnésio)
• Manganês (baterias de hidrogênio metálico)
• Vanádio (baterias de fluxo redox)
• Antimônio (baterias de metal fundido)
• Enxofre (baterias de sódio‑enxofre)

Atualmente não há empresas trabalhando para levar baterias de íon‑magnésio ao mercado. Mas isso pode mudar em breve, considerando as várias outras combinações químicas que estão avançando rumo à produção em massa.