Baterias de Metal Líquido

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Obtendo uma carga de baterias de metal líquido
As baterias de metal líquido, nas quais os eletrodos e o eletrólito estão em forma líquida, são um
desenvolvimento promissor em tecnologias de armazenamento de energia.
Crédito da imagem: Getty Images
Um novo conceito em produto químico reversível para o armazenamento de energia elétrica é a bateria
de metal líquido, na qual um ânodo de metal, cátodo metálico e eletrólito de sal estão todos na fase
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líquida. O eletrodo superior (ânodo) é um metal líquido de baixa densidade selecionado a partir do
eletropositivo, elementos doador de elétrons e o eletrodo inferior (cátodo) é um metal de alta densidade
escolhido a partir dos elementos eletronegativos, elétron-acceptores, respectivamente, à esquerda e à
direita da tabela periódica. Os eletrodos são acoplados através de um eletrólito fundido de densidade
média, ensanduichado no meio, que permite o transporte de cáção metálica entre o ânodo e o cátodo,
como ilustrado na figura.
A tensão celular é determinada pela diferença de eletronegatividade dos metais, que se relaciona com a
diferença em suas energias de Fermi; quanto maior a diferença, maior a tensão celular. Essas diferenças
de energia de eletronegatividade e Fermi foram paralelas pelas respectivas densidades, uma
característica que felizmente permitiu que a exigência de diferenças de densidade de líquido e
ordenação de camadas fosse simultaneamente satisfeita.
As composições são escolhidas para que as camadas de metal líquido sejam completamente imiscíveis
com a camada de eletrólito fundido e não se misture durante a operação. A célula é carregada com
camadas de materiais de ânodo, eletrólitos e cátodos em pó, e no aquecimento para fusão eles se
instalam naturalmente em três camadas líquidas imiscíveis controladas pelas diferenças de densidade
acima mencionadas. Durante a descarga (como mostrado na figura), o eletrodo de metal A perde
elétrons criando A + cátions que se difundem através do eletrólito líquido para entrar no eletrodo de
metal inferior B. Simultaneamente, os elétrons de balanceamento de carga passam pelo circuito externo
para alimentar uma carga elétrica e entrar no eletrodo inferior para reduzir A+ a A, que liga com metal
fundido B. Sobre a recarga, esse processo é invertido. A partida inicial requer aquecimento externo, mas
uma vez que a bateria é fundida, ela mantém a temperatura de operação gerando calor sempre que a
corrente flui, ou seja, na descarga e na carga. Esta bateria é projetada para ser usada diariamente, para
não ficar ociosa por semanas. Idealmente, 5 horas de tempo de carregamento, 7 horas de ingado, 5
horas de tempo de descarga, 7 horas ociosas, todos os dias.
As vantagens das baterias de metal líquido em estado sólido são a rápida difusão iônica entre os
eletrodos, o que se traduz em ciclos de carga-descarga muito rápidos. Além disso, as tensões
mecânicas são muito menores à medida que os eletrodos e eletrólitos líquidos se adaptam à forma da
célula e, enquanto uma camada líquida afina durante a descarga, a outra engrossa e vice-versa na
recarga, minimizando várias formas de falha mecânica com o tempo. Além disso, a auto-segregação dos
eletrodos líquidos e o eletrólitos evitam a necessidade de membranas e separadores, e aumentam a
estabilidade e a utilidade a longo prazo.
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No geral, a estabilidade em relação ao ciclismo, a exigência de menos manutenção e serviço e menores
custos de fabricação e custos de fabricação são bons para baterias de metal líquido como uma
tecnologia competitiva para armazenamento em rede. Além disso, o teste de milhares de ciclos mostrou
que essas baterias resistem ao desbotamento da capacidade, uma doença que prejudica o uso de
baterias de íons de lítio nesta aplicação.
Muitos eletrodos e materiais eletrolíticos têm sido explorados como candidatos a componentes celulares,
a fim de otimizar as condições operacionais, vida útil, custo, sustentabilidade e escalabilidade das
células. As células originais foram baseadas em Mg/MgCl 22/Sb, que operava a 700oC, causando
problemas de eficiência energética e degradação. Menores metais de fusão foram procurados para
reduzir a temperatura de operação, substituindo Sb por Pb, e Bi, Sn, Mg por Na, Li, Ca, e suas ligas,
alcançando até 400oC melhorias.
No geral, parece que as baterias de metal líquido são mais adequadas para armazenamento de
eletricidade em grande escala, enquanto as baterias de íons de lítio são melhor usadas para aplicações
móveis, o que tem a ver com seus diferentes produtos químicos da bateria. A bateria de metal líquido é
pesada, mas não desaparece com o uso e não pode queimar. A bateria de íon de lítio é leve, mas
inflamável e com o uso, perde capacidade de armazenamento.
Uma bateria de metal líquido Ambri, 1000 kWh, 250 kW de capacidade líquida, tensão 500-1500V, tempo
de resposta de 500 milissegundos e eficiência CC de 80%, que se encaixa e pode ser entregue em um
contêiner de 10 pés, é mostrado na figura. Claramente, o armazenamento em escala de rede é um alvo
chave para a tecnologia de baterias de metal líquido, pois sua capacidade de armazenamento de
energia é grande, a entrega é rápida, a vida útil é longa, ilimitada e é competitiva em termos de custo
com outros sistemas de armazenamento de eletricidade em grande escala.
Geoffrey OzinTradução
Grupo de Combustíveis Solares, Universidade de Toronto, Ontário, Canadá, E-mail: g.ozin-utoronto.ca,
Sites: www.nanowizard.info, www.solarfuels.utoronto.ca, www.artnanoinnovations.com
http://www.ambri.com/
https://undefined/mailto:g.ozin@utoronto.ca
http://www.nanowizard.info/
http://www.solarfuels.utoronto.ca/
http://www.artnanoinnovations.com/
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Imagens fornecidas por Don Sadoway
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