Billy Hurley, Digital Editorial Manager
As baterias Metal-Ar são fontes de energia leves, compactas e com uma alta densidade de energia, mas têm tido uma grande limitação: Elas corroem.
Um novo design do Instituto de Tecnologia de Massachusetts usa óleo para reduzir a corrosão e prolongar a vida útil das baterias de ar metálico de uso único.
A chave: Óleo.
Para evitar a deterioração do metal, os pesquisadores do MIT colocaram uma barreira de óleo entre o eletrodo de alumínio e o eletrólito – o fluido entre os dois eletrodos da bateria que come o alumínio quando a bateria está em standby.
O óleo é rapidamente bombeado e substituído pelo eletrólito assim que a bateria é utilizada.
Como resultado, a perda de energia é cortada para apenas 0.2% ao mês – mais de mil vezes melhora, de acordo com a equipe do MIT.
Os resultados foram relatados na semana passada na revista Science por Brandon J. Hopkins ’18, W.M., ex-aluno graduado do MIT. Keck Professor de Energia Yang Shao-Horn, e professor de engenharia mecânica Douglas P. Hart.
Como funciona exatamente uma bateria metal-ar?
Uma bateria metal-ar utiliza algum tipo de metal (como o alumínio) para o ânodo, ar como o cátodo, juntamente com um eletrólito líquido.
No caso do alumínio, o oxigénio do ar combina depois com o metal para criar hidróxido de alumínio, que activa o processo de electrólise e cria uma corrente.
Porque o alumínio atrai água, o electrólito restante agarra-se frequentemente às superfícies do eléctrodo de alumínio, mesmo depois do electrólito ser drenado da célula.
“As baterias têm estruturas complexas, por isso há muitos cantos para o electrólito ficar preso”, disse Hopkins .
Os muitos cantos levam a muitas oportunidades de corrosão.
Hopkins e sua equipe, entretanto, colocaram uma fina barreira de membrana entre os eletrodos da bateria; ambos os lados da membrana são preenchidos com um eletrólito líquido quando a bateria está em uso.
Quando a bateria é colocada em standby, o óleo é bombeado para o lado mais próximo do eletrodo de alumínio, que protege a superfície de alumínio do eletrólito no outro lado da membrana.
Alumínio, quando imerso em água, repele o óleo da superfície. Quando a bateria é reativada e o eletrólito é bombeado de volta para a célula, o eletrólito desloca facilmente o óleo da superfície de alumínio, o que restaura a energia da bateria.
O resultado é um protótipo de alumínio-ar com uma vida útil muito maior do que a das baterias convencionais de alumínio-ar. Quando a bateria foi usada repetidamente e depois colocada em espera durante um a dois dias, o design do MIT durou 24 dias, enquanto o design convencional durou apenas três dias.
Aven quando óleo e um sistema de bombeamento estão incluídos nas baterias primárias de alumínio-ar em escala, elas ainda são cinco vezes mais leves e duas vezes mais compactas do que as baterias recarregáveis de iões de lítio para veículos eléctricos, relataram os investigadores.
Atualmente, as baterias de alumínio-ar são usadas como fontes de energia de reserva. O Professor Hart falou com a Tech Briefs sobre o porquê de ele acreditar que o novo design irá algum dia encontrar o seu caminho para além das aplicações de nicho e para os veículos eléctricos.
Tech Briefs: Porque é que as baterias metal-ar são valiosas?
Douglas Hart, Professor de Engenharia Mecânica: São baterias de alta densidade energética. Estas são consideradas baterias primárias, o que significa que não são recarregáveis. Neste caso o alumínio é consumido.
E o alumínio é extremamente abundante, ao contrário de muitos outros metais que são feitos para fazer baterias. O alumínio é um dos materiais mais abundantes na Terra, e está distribuído por todo o mundo, portanto não é algo que um país possua.
Tech Briefs: Onde as baterias metal-ar estão sendo usadas atualmente?
Um dos problemas com os geradores de reserva é que eles demoram um pouco para entrar online e usam combustível diesel, que pode ficar ruim. Assim, muitos hospitais têm baterias de alumínio-ar como sistemas de reserva; quando a energia cai, elas podem voltar a funcionar muito rapidamente, pelo menos o tempo suficiente para um sistema de energia secundária entrar em funcionamento.
Phinergy , uma empresa em Israel, está a fabricar baterias de alumínio-ar para extensores de alcance em automóveis. Há um plano para que eles sejam incluídos, então se você ficar sem energia elétrica de uma bateria em um veículo elétrico, a bateria de alumínio-ar deve entrar em funcionamento e levá-lo através das milhas extras para levá-lo a uma estação de carga. Eles são basicamente um sistema de bateria que pode ser substituído, só porque eles têm muito mais energia do que uma bateria de iões de lítio.
Tech Briefs: Quais são as limitações de uma bateria de ar metálico?
Prof. Hart: Assim que as ligas, não as consegues desligar. A única maneira de parar a reacção é drenar o electrólito para fora do sistema. E quando você faz isso, cada vez há um pouco de eletrólito que fica na superfície metálica da bateria e o corrói. Depois de algum tempo, você pode colocar o eletrólito de volta, e ele não vai ligar de novo; a bateria fica corroída, e na superfície este subproduto o liga. Algumas pessoas descobriram que você pode enxaguá-lo com água, mas a água fica contaminada com eletrólitos.
Tech Briefs: Porque é tão importante atenuar o efeito da corrosão?
Prof. Hart: Você gostaria de poder usar estas baterias em algo como um automóvel; você quer estacioná-lo na sua entrada, deixá-lo lá por uma semana, voltar, e esperar que comece de novo. Estas baterias estão comendo-se lentamente, por isso você perde muita da sua energia. A densidade da energia torna-se então inútil porque está a consumir-se a si própria.
As pessoas têm olhado para todos os tipos de formas de mitigar este processo de corrosão. Eles olharam para melhores químicos para a superfície de alumínio e ligas. Nós descobrimos uma abordagem muito simples: Em vez de o descarregar com água, simplesmente deslocamos o electrólito com óleo.
Tech Briefs: Qual foi a reacção a esta ideia?
Prof. Hart: A primeira reacção que todos tiveram foi: “Estás a brincar comigo? O óleo vai entupir tudo e destruí-lo.” Acontece que na presença do electrólito, o alumínio prefere trabalhar com o electrólito do que com o óleo. O óleo, na verdade, não faz porcaria nenhuma. Ele simplesmente desloca o eletrólito, desliga a reação (porque ele não é condutor), e assim que você coloca o eletrólito de volta, ele começa de novo. Mas, melhor ainda, podemos enxaguá-lo com o mesmo óleo uma e outra vez e nunca contaminar o sistema.
Tech Briefs: Este é um recurso de design fácil de incorporar?
Prof. Hart: A membrana é na verdade uma coisa muito fácil de colocar em prática. Ela pode ser construída sobre o próprio cátodo antes de ser instalada. É uma modificação muito simples à tecnologia de bateria existente. É uma membrana fina para proteger o cátodo, porque o cátodo é um material de alto contato superficial. A membrana proporciona uma longevidade a longo prazo ao material catódico. Também permite o uso de óleos que não são tão estáveis como outros óleos.
Tech Briefs: Em que tipos de aplicações este novo desenho está sendo usado?
Prof. Hart: Extensores de gama para carros é certamente um bom. Uma das razões pelas quais as pessoas têm medo de comprar carros eléctricos é porque têm muito medo de ficar sem energia. E , isso seria usado principalmente como um sistema de backup para superar esse medo de não ter o suficiente para chegar ao próximo sistema de carregamento.
Tech Briefs: Será que ainda serão usados como fontes de energia de reserva?
Prof. Hart: Neste momento, muitas pessoas têm pequenos geradores nas suas casas, mas estes produzem monóxido de carbono, por isso são muito perigosos de usar. As baterias de alumínio-ar são um dispositivo muito mais seguro para ter sentado no seu porão do que um gerador de reserva. Se a energia se desligar, você pode ligá-la. Se a energia voltar a ligar-se, podes desligá-lo. E uma bateria de alumínio-ar é certamente ótima para uso hospitalar, e sistemas de energia de backup para servidores de dados.
Tech Briefs: As baterias de metal-ar são uma opção viável agora comparadas com, digamos, a bateria de iões de lítio?
Prof. Hart: Neste momento, se queria fazer o nosso sistema de transporte e converter tudo em veículos eléctricos, as pessoas apontaram para baterias de iões de lítio; certamente, Tesla está a usar baterias de iões de lítio. Mas as baterias de lítio-íon requerem lítio, que é propriedade de um subconjunto dos países do mundo. Isso torna a situação politicamente difícil.
O pior é que simplesmente não há cobalto suficiente para fazer baterias suficientes para todos os carros do mundo. Eles têm que encontrar uma alternativa ao cobalto. Alguns especialistas dizem que eles serão capazes de substituir o cobalto por níquel. Temos de encontrar um sistema de baterias alternativo para viabilizar coisas como sistemas de armazenamento, porque simplesmente não temos cobalto e níquel suficientes.
Alumínio é uma grande fonte de energia para qualquer tipo de sistema de transporte. Eu poderia vê-lo sendo usado em aeronaves e outros lugares onde as baterias padrão podem ser usadas. Novamente, você não pode recarregá-las. Elas são mais um combustível do que um dispositivo de armazenamento de energia pura.
Tech Briefs: O que se segue para a sua equipa em relação a esta pesquisa?
Prof. Hart: Espero que seja recolhida por um dos fabricantes de baterias comerciais. Acho que tem um grande potencial, e adoraria vê-la a ser usada. Mostramos tudo o que precisamos em termos de pesquisa no laboratório, e acho que agora precisa ser implementado em um sistema real e comprovado para aplicação comercial.
Tech Briefs: O que os resultados mostraram? Qual o desempenho da bateria?
Prof. Hart: Fenomenalmente. Brandon foi capaz de mostrar que você pode ligar e desligar a bateria durante toda a vida útil da mesma, e quase não há degradação alguma, ao contrário dos sistemas anteriores. Essencialmente este trabalho deu-lhe a capacidade de se desligar como uma bateria normal, por isso não se senta lá e corroi enquanto se senta na sua entrada, se quiser.
Isso significa que, para algo como um hospital, quando a energia se apaga, você pode realmente ligar esta coisa, e se você não usar toda a energia que está na bateria, você pode desligar a bateria e usá-la novamente da próxima vez. Normalmente, você pode ter uma falha de energia que acontece por alguns minutos, então a energia volta a ser ligada. Você já gastou esta bateria muito cara porque, enquanto ela fica ali, corrói. Agora, você pode ligá-la e desligá-la à vontade.