O recente anúncio por Tesla de Powerwall, seu novo sistema de armazenamento residencial de baterias de íon de lítio (Li-ion), causou uma grande celeuma. Ele ainda levanta a possibilidade de ir fora da rede, confiando nos painéis solares para gerar eletricidade, armazenando-os com sua própria bateria e usando-os sob demanda.

No entanto, a tecnologia de lítio usada pela Tesla não é a única a ser oferecida. Na verdade, cada uma das várias tecnologias de bateria tem suas próprias forças e fraquezas, e algumas podem até ser superiores ao íon de lítio para instalações domésticas. Aqui está um rápido levantamento das tecnologias atuais de bateria, e algumas que estão em desenvolvimento.

Energia da bateria

Todas as baterias recarregáveis ​​consistem em duas eletrodos separados por um eletrólito (veja o diagrama abaixo). Duas reações químicas reversíveis diferentes ocorrem nos dois eletrodos. Durante o carregamento, uma “espécie ativa” - isto é, uma molécula carregada, como íons de lítio para baterias de íons de lítio - é armazenada anódio. Durante a descarga, isso migra para o cátodo. A reação química ocorre em um potencial que pode ser usado para alimentar um circuito externo.

Cada tipo de tecnologia de bateria pode ser avaliado com base em vários critérios, como:

• Reciclabilidade, que é o número de vezes que pode ser cobrado e descarregado

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• Densidade de energia, que é uma medida da energia armazenada por unidade de massa, medida em Watt-horas (uma medida representando um Watt de potência em uma hora) por quilograma (Wh / kg)

• Densidade específica, que é a energia armazenada por unidade de volume, medida em Watt-horas por litro (Wh / l).

Que tecnologia é o mais adequado para uma determinada aplicação depende das exigências do que o papel.

Chumbo ácido

A bateria recarregável original consiste em ácido sulfúrico concentrado como eletrólito (H?SO?) e chumbo (Pb) e dióxido de chumbo (PbO?) no ânodo e no cátodo, que são ambos convertidos em sulfato de chumbo durante a carga e descarga.

Baterias de chumbo-ácido ainda são usadas em automóveis, caravanas e em algumas redes elétricas de relés. Eles têm reciclabilidade muito alta, portanto, uma vida útil longa. Isso é ajudado pelo uso de curta duração e carga constante - ou seja, sempre mantendo a bateria em quase 100% de carga - como ocorre em um automóvel. Por outro lado, a carga e a descarga lentas reduzem significativamente a vida útil da bateria de chumbo-ácido.

Embora o chumbo é tóxico e corrosivo é ácido sulfúrico, a bateria é muito robusto e raramente apresenta um perigo para o utilizador. No entanto, se usado em uma instalação residencial, maior tamanho e volume de materiais necessários também irá aumentar os riscos.

O Li-ion Tesla Powerwall vem nas versões 7 de quilowatts-hora (kWh) ou 10kWh. Por uma questão de comparação, veremos o tamanho da bateria necessária para alimentar uma família de quatro pessoas que consuma 20kWh por dia, que é aproximadamente a Média nacional para essas casas.

As baterias de chumbo-ácido têm densidade de energia de 30 para 40Wh / kg e 60 para 70Wh / l. Isso significa que um sistema 20kWh pesará 450 para 600kg e levará 0.28 para 0.33 metros cúbicos de espaço (não incluindo o tamanho ou peso da carcaça da célula e outros equipamentos). Este volume é gerenciável para a maioria das famílias - caberia aproximadamente em uma caixa 1 x 1 x 0.3 metros - mas o peso significa que deve ser estacionário.

Lithium-ion

A atual bateria recarregável premier é baseada no movimento de íons de lítio (Li) entre um ânodo de carbono poroso e um cátodo de óxido de metal-Li. A composição do cátodo tem um grande efeito no desempenho e estabilidade da bateria.

Atualmente óxido de lítio-cobalto exibe capacidade de carga superior. No entanto, é mais suscetível à quebra do que as alternativas, como o lítio-titante ou o lítio-ferro-fosfato, embora estes tenham menor capacidade de carga.

Uma causa comum de falhas é o inchaço do cátodo, uma vez que os íons Li são inseridos dentro de sua estrutura, juntamente com o revestimento do ânodo com metal de lítio, que pode se tornar explosivo. A chance de um colapso pode ser reduzido através da limitação da taxa de carga / descarga, mas instâncias de baterias de laptop ou telefone explodindo / pegar fogo são não é incomum.

A vida útil da bateria também depende muito da composição do ânodo, cátodo e eletrólito. Geralmente, a vida útil do Li-ion é superior às baterias de chumbo-ácido, com a Tesla reportando uma vida útil de 15 anos (Ciclos 5,000, em um ciclo por dia) para o seu Powerwall 10 kWh, baseado num eléctrodo de lítio-manganês-cobalto.

O 10kWh Tesla Powerwall pesa 100kg e tem dimensões de 1.3 0.86 x x 0.18 metros. Assim, para uma família média de quatro pessoas vai exigir duas unidades ligadas em série, chegando a um peso total de 200kg e 1.3 1.72 x x 0.18 metros ou 0.4 metros cúbicos, que é mais leve do que de chumbo-ácido, mas ocupa mais espaço.

Estes valores são iguais a 100Wh / kg e 50Wh / l, que são mais baixos do que os relatados para baterias de óxido de lítio-cobalto (150-250Wh / kg e 250-360Wh / l), mas na faixa associada à vida útil mais longa e mais segura -titanato (90Wh / kg) e fosfato de ferro-Li (80 a 120Wh / kg).

Melhorias futuras de Baterias de Lítio

As futuras tecnologias de bateria podem melhorar ainda mais esses números. Laboratórios de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando para melhorar a energia específica, a vida útil e a segurança de baterias à base de lítio.

As principais áreas de pesquisa incluem a alteração da composição catódica, como o trabalho com lítio-ferro-fosfato or lítio-manganês-cobalto, onde diferentes proporções ou estruturas químicas dos materiais podem afetar drasticamente o desempenho.

A alteração do eletrólito, como a utilização de líquidos orgânicos ou iônicos, pode melhorar a energia específica, embora possam ter um custo proibitivo e exigir uma fabricação mais controlada, como em um ambiente livre de poeira ou umidade controlada / restrita.

O uso de nanomateriais, sob a forma de análogos de carbono nanométricos (grafeno e nanotubos de carbono) ou nanopartículaspode melhorar tanto o cátodo como o ânodo. No ânodo, grafeno ou nanotubos de carbono altamente condutores e fortes podem substituir o material atual, que é grafite ou uma mistura de carbono poroso ativado e grafite.

Grafeno e nanotubos de carbono exibem maior área de superfície, maior condutividade e maior estabilidade mecânica do que o carbono ativado e grafite. A composição exata da maioria dos ânodos e cátodos Atualmente um segredo comercial, mas os níveis de produção comercial de nanotubos de carbono sugerem que a maioria das baterias de telefone e laptop atualmente com nanotubos de carbono como parte de seus eletrodos.

As baterias baseadas em laboratório mostraram incrível capacidade de armazenamento, particularmente para energia específica (Wh / kg). Mas muitas vezes os materiais são caros ou o processo é difícil de escalonar para níveis industriais. Com uma redução adicional no custo do material e maior simplificação da síntese, não há dúvida de que a aplicação de nanomateriais continuará a melhorar a capacidade, vida útil e segurança das baterias à base de lítio.

Lítio-ar e lítio-enxofre

Lítio-enxofre e lítio-ar as baterias são projetos alternativos com um princípio subjacente similar de movimento de íons de lítio entre dois eletrodos, com capacidades teóricas muito mais altas.

Em ambos os casos, o ânodo é uma fina tira de lítio, enquanto o cátodo é Li?O? em contato com o ar em Li-ar e enxofre ativo em baterias Li-S. Capacidades máximas previstas são 320Wh / kg de Li-ion, 500Wh / kg para Li-S e 1,000Wh / kg para Li-ar.

As energias específicas estão relacionadas com o peso mais leve do lítio no ânodo e cátodo (substituindo os óxidos de grafite / carbono e de transição) e o alto redox potencial entre os eletrodos.

Com o anodo nessas baterias sendo metal de lítio, a grande quantidade de lítio necessária para uma bateria residencial 20kWh (18kg para Li-air e 36kg para Li-S) pode limitar seu uso a dispositivos menores no curto a médio prazo prazo.

Íon de sódio e íon de magnésio

Lithium tem número atômico de 3 e senta-se na fileira do 1 tabela periódica. Logo abaixo está o sódio (Na, número atômico 11).

As baterias de íons de alternativas viáveis ​​ao Li-ion, principalmente devido à abundância relativa de sódio. O cátodo é constituído por óxido de Na-metal, como o fosfato de ferro-sódio, enquanto o ânodo é carbono poroso. Devido ao tamanho dos íons Na, a grafita não pode ser usada no anodo e os nanomateriais de carbono estão sendo pesquisados ​​como materiais anódicos. Além disso, a massa de sódio é maior que Li, de modo que a capacidade de carga por unidade de massa e volume é geralmente menor.

O magnésio fica à direita do sódio na tabela periódica (Mg, número atômico 12) na linha 2, o que significa que pode existir em solução como Mg²? (em comparação com Li¹? e Na¹?). Com o dobro da carga de Na, o Mg é capaz de produzir o dobro da energia elétrica para um volume semelhante.

A bateria de íons de Mg consiste em um ânodo de fita de Mg e um cátodo de óxido de metal-Mg, e tem um máximo previsto energia específica de 400Wh/kg. O atual gargalo da pesquisa é que a dupla cobrança do Mg²? torna mais lento o movimento através do eletrólito, diminuindo assim a taxa de carga.

Baterias de fluxo

Uma bateria de fluxo é composto por dois tanques de armazenamento cheios com electrólito separados por um membrana de troca de prótons, que permite o fluxo de elétrons e íons de hidrogênio, mas restringe a mistura do eletrólito nos tanques de armazenamento. Exemplos destes incluem vanádio-vanádio com sulfato ou brometo, bromo-zinco e bromo-hidrogénio.

As baterias de fluxo de vanádio têm vida útil muito longa, com o sistema sendo muito estável. Eles podem ser aumentados quase indefinidamente, mas requerem uma bomba para fazer o ciclo do eletrólito ao redor do tanque de armazenamento. Isso os torna imóveis.

As baterias de fluxo de vanádio têm energias específicas na faixa de 10-20Wh / kg e densidade de energia de 15-25Wh / l. Isso significa que para alimentar uma casa 20kWh, você precisaria de uma bateria com massa de 900-1800Kg, que ocuparia 0.8-1.33m³.

Com alta confiabilidade, mas alta massa, a bateria de fluxo de vanádio é mais adequada para aplicações de grande porte, como usinas pequenas do que para uso residencial.

A curto prazo, é provável que as baterias de íons de lítio continuem a ser melhoradas, podendo chegar a 320Wh / kg. As tecnologias futuras têm a capacidade de fornecer energia específica e / ou densidade de energia ainda mais altas, mas espera-se que entrem no mercado primeiro em dispositivos menores antes de passar para o armazenamento de energia residencial.

Sobre o autor

Cameron Shearer é pesquisador associado em ciências físicas na Flinders University. Atualmente, ele pesquisa a aplicação de nanomateriais em células solares e baterias.

Este artigo foi originalmente publicado em A Conversação. Leia o artigo original.