Pesquisadores do Sandia National Laboratories projetaram uma nova classe de baterias de sódio fundido para armazenamento de energia em escala de rede. Baterias de sódio derretido têm sido usadas por muitos anos para armazenar energia de fontes renováveis, como painéis solares e turbinas eólicas. No entanto, as baterias de sódio fundido disponíveis comercialmente, chamadas baterias de enxofre de sódio, normalmente operam a 520-660 graus Fahrenheit. A nova bateria derretida de iodeto de sódio da Sandia opera a uma temperatura de 230 graus Fahrenheit muito mais fria.
“Temos trabalhado para reduzir a temperatura operacional das baterias de sódio derretido o mais baixo possível fisicamente”, disse Leo Small, o pesquisador-chefe do projeto. “Há uma economia de custos em cascata que vem junto com a redução da temperatura da bateria. Você pode usar materiais mais baratos. As baterias precisam de menos isolamento e a fiação que conecta todas as baterias pode ser muito mais fina. ”
No entanto, a química da bateria que funciona a 550 graus não funciona a 230 graus, acrescentou. Entre as principais inovações que permitiram essa menor temperatura de operação estava o desenvolvimento do que ele chama de católito. Um católito é uma mistura líquida de dois sais, neste caso, iodeto de sódio e cloreto de gálio.
Noções básicas de construção de baterias melhores
Uma bateria básica de chumbo-ácido, comumente usada como bateria de ignição de carro, tem uma placa de chumbo e uma placa de dióxido de chumbo com um eletrólito de ácido sulfúrico no meio. Conforme a energia é descarregada da bateria, a placa de chumbo reage com o ácido sulfúrico para formar sulfato de chumbo e elétrons. Esses elétrons dão partida no carro e voltam para o outro lado da bateria, onde a placa de dióxido de chumbo usa os elétrons e o ácido sulfúrico para formar sulfato de chumbo e água. Para a nova bateria de sódio fundido, a placa de chumbo é substituída por sódio metálico líquido, e a placa de dióxido de chumbo é substituída por uma mistura líquida de iodeto de sódio e uma pequena quantidade de cloreto de gálio, disse Erik Spoerke, um cientista de materiais que tem trabalhado em baterias de sódio fundido por mais de uma década.
Quando a energia da nova bateria é descarregada, o sódio metálico produz íons de sódio e elétrons. Por outro lado, os elétrons transformam o iodo em íons iodeto. Os íons de sódio se movem através de um separador para o outro lado, onde reagem com os íons de iodeto para formar o sal de iodeto de sódio fundido. Em vez de um eletrólito de ácido sulfúrico, o meio da bateria é um separador de cerâmica especial que permite que apenas íons de sódio se movam de um lado para o outro, nada mais.
“Em nosso sistema, ao contrário de uma bateria de íon de lítio, tudo é líquido nos dois lados”, disse Spoerke. “Isso significa que não temos que lidar com questões como o material passando por mudanças de fase complexas ou desmoronando; é tudo líquido. Basicamente, essas baterias de base líquida não têm uma vida útil tão limitada quanto muitas outras baterias. ”
Na verdade, as baterias de sódio fundido comerciais têm vida útil de 10 a 15 anos, significativamente mais do que as baterias de chumbo-ácido padrão ou baterias de íon de lítio.
Baterias de longa duração que são mais seguras
A pequena bateria de iodeto de sódio em escala de laboratório de Sandia foi testada por oito meses dentro de um forno. Martha Gross, uma pesquisadora de pós-doutorado que trabalhou nos testes de laboratório nos últimos dois anos, conduziu experimentos carregando e descarregando a bateria mais de 400 vezes durante esses oito meses.
Por causa da pandemia de COVID-19, eles tiveram que pausar o experimento por um mês e deixar o sódio fundido e o católito esfriar até a temperatura ambiente e congelar, disse ela. Gross ficou satisfeito porque, depois de aquecer a bateria, ela ainda funcionava.
Isso significa que se uma interrupção de energia em grande escala ocorresse, como o que ocorreu no Texas em fevereiro, as baterias de iodeto de sódio poderiam ser usadas e, em seguida, deixadas esfriar até congelar. Assim que a interrupção acabasse, eles poderiam ser aquecidos, recarregados e retornados à operação normal sem um processo de inicialização demorado ou caro e sem degradação da química interna da bateria, acrescentou Spoerke.
As baterias de iodeto de sódio também são mais seguras. Spoerke disse: “Uma bateria de íon de lítio pega fogo quando há uma falha dentro da bateria, causando um superaquecimento descontrolado da bateria. Provamos que isso não pode acontecer com a química de nossa bateria. Nossa bateria, se você tirar o separador de cerâmica e permitir que o sódio metálico se misture com os sais, nada acontece. Certamente, a bateria para de funcionar, mas não há reação química violenta ou incêndio. ”
Se um incêndio externo engolfar uma bateria de iodeto de sódio, é provável que a bateria rache e falhe, mas não deve adicionar combustível ao fogo ou causar um incêndio de sódio, acrescentou Small.
Além disso, a 3.6 volts, a nova bateria de iodeto de sódio tem um funcionamento 40% superior Voltagem do que uma bateria comercial de sódio fundido. Essa tensão leva a uma densidade de energia mais alta, e isso significa que as baterias futuras potenciais feitas com essa química precisariam de menos células, menos conexões entre as células e um custo unitário geral mais baixo para armazenar a mesma quantidade de eletricidade, disse Small.
“Ficamos muito entusiasmados com a quantidade de energia que poderíamos potencialmente colocar no sistema por causa do novo católito que relatamos neste artigo”, acrescentou Gross. “As baterias de sódio derretido existem há décadas e estão em todo o mundo, mas ninguém nunca fala sobre elas. Então, ser capaz de baixar a temperatura e voltar com alguns números e dizer, 'este é um sistema muito, muito viável' é muito legal. ”
O futuro das baterias de iodeto de sódio
O próximo passo para o projeto da bateria de iodeto de sódio é continuar a ajustar e refinar a química do católito para substituir o componente de cloreto de gálio, disse Small. O cloreto de gálio é muito caro, mais de 100 vezes mais caro que o sal de cozinha.
A equipe também está trabalhando em vários ajustes de engenharia para fazer a bateria carregar e descarregar mais rápida e completamente, acrescentou Spoerke. Uma modificação identificada anteriormente para acelerar o carregamento da bateria foi revestir o lado do sódio fundido do separador de cerâmica com uma fina camada de estanho.
Spoerke acrescentou que provavelmente levaria de cinco a dez anos para colocar as baterias de iodeto de sódio no mercado, com a maioria dos desafios restantes sendo desafios de comercialização, em vez de desafios técnicos.
“Esta é a primeira demonstração de ciclo estável e de longo prazo de uma bateria de sódio fundido de baixa temperatura”, disse Spoerke. “A mágica do que reunimos é que identificamos a química do sal e a eletroquímica que nos permitem operar com eficácia a 230 graus Fahrenheit. Essa configuração de iodeto de sódio de baixa temperatura é uma espécie de reinvenção do que significa ter uma bateria de sódio derretida. ”
O desenvolvimento da nova bateria de sódio foi apoiado pelo Escritório do Departamento de Energia de Eletricidade Programa de armazenamento de energia.