Baterias de sódio podem ser mais econômicas do que as de lítio
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Previsões industriais estimam uma alta necessidade de parques de baterias para armazenar energias renováveis como solar e eólica. As baterias de íons de lítio podem permanecer na cobertura para o desempenho puro, mas quando o custo por armazenamento é importante, um projeto de Stanford baseado em íons de sódio é promissor.
À medida que um mundo em aquecimento muda de combustíveis fósseis para energia renovável, previsões industriais prevêem uma grande necessidade de parques de bateria para armazenar energia e fornecer eletricidade à noite e ainda tem vento.
Contra esse pano de fundo, os pesquisadores de Stanford desenvolveram uma bateria baseada em sódio que pode armazenar a mesma quantidade de energia que um íon de lítio de última geração, a um custo substancialmente menor.
O engenheiro químico Zhenan Bao e seus colaboradores de faculdade, os cientistas de materiais Yi Cui e William Chueh, não são os primeiros pesquisadores a projetar uma bateria de íons de sódio.
Mas eles acreditam que a abordagem que eles descrevem em um artigo da Nature Energy tem as características de preço e desempenho para criar uma bateria de íons de sódio que custa menos de 80% de uma bateria de íons de lítio com a mesma capacidade de armazenamento.
"Nada pode superar o lítio no desempenho", disse Bao. "Mas o lítio é tão raro e oneroso que precisamos desenvolver baterias de alto desempenho, mas de baixo custo com base em elementos abundantes como o sódio".
Com materiais que constituem cerca de um quarto do preço da bateria, o custo do lítio – cerca de US $ 15.000 por tonelada para minerar e refinar – é grande. É por isso que a equipe de Stanford está baseando sua bateria em material de eletrodo baseado em sódio, amplamente disponível, que custa apenas US $ 150 por tonelada.
Este eletrodo à base de sódio possui uma composição química comum a todos os sais: possui um íon com carga positiva – sódio – unido a um íon carregado negativamente.
No sal de mesa, o cloreto é o parceiro positivo, mas na bateria de Stanford um íon de sódio se liga a um composto conhecido como mio-inositol. Ao contrário do cloreto no sal de mesa, o mio-inositol não é uma palavra doméstica.
Crucial para a idéia de reduzir o custo dos materiais da bateria, o myo-inositol é um composto orgânico abundante familiar para a indústria.
O sal de sódio compõe o cátodo, que é o pólo da bateria que armazena elétrons. A química interna da bateria desloca esses elétrons para o ânodo, que neste caso é composto de fósforo. De forma mais eficiente, o catodo desloca esses elétrons para trás e vice-versa contra o ânodo, o melhor é que a bateria funciona.
Para este protótipo, o pesquisador pós-doutorado Min Ah Lee e a equipe de Stanford melhoraram o modo como o sódio e o mio-inositol permitem esse fluxo de elétrons, aumentando significativamente o desempenho desta bateria de íons de sódio em relação às tentativas anteriores.
Os pesquisadores concentraram-se principalmente nas comparações de custo-desempenho favoráveis ​​entre sua bateria de íons de sódio e o lítio de última geração.
No futuro, eles terão que olhar para a densidade de energia volumétrica – quão grande deve ser uma bateria de íons de sódio para armazenar a mesma energia que um sistema de íons de lítio.
Além disso, a equipe otimizou o ciclo de carga-recarga da bateria – com que eficiência a bateria armazena eletricidade que vem de uma matriz solar no telhado, por exemplo, e com que eficiência ela entrega a energia armazenada, digamos, corre as luzes da casa durante a noite.
Para entender melhor as forças de nível atômico em jogo durante esse processo, o estudioso pós-doutorado Jihyun Hong e o estudante de pós-graduação Kipil Lim trabalharam com Chueh e Michael Toney, cientista do Laboratório Nacional de Aceleradores da SLAC.
Eles estudaram exatamente como os íons de sódio se encaixam e se separam do cátodo, uma visão que ajudou a melhorar seu design e desempenho geral da bateria.
Os pesquisadores de Stanford acreditam que seu artigo na Nature Energy demonstra que as baterias baseadas em sódio podem ser alternativas econômicas para baterias à base de lítio.
Tendo já otimizado o cátodo e o ciclo de carregamento, os pesquisadores planejam se concentrar em seguir o ajuste do ânodo de sua bateria de íons de sódio.
"Este já é um bom design, mas estamos confiantes de que pode ser melhorado ao otimizar ainda mais o ânodo de fósforo", disse Cui.
Outros membros da equipe incluíram pesquisadores de Stanford Jeffrey Lopez, Yongming Sun e Dawei Feng. O trabalho foi financiado pelo programa Advanced Battery Materials Research (BMR) do Departamento de Energia dos EUA.
As medições de raios-X foram realizadas no Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL), uma instalação nacional de usuários operada pela Universidade de Stanford em nome do Departamento de Energia dos EUA, Office of Basic Energy Sciences.