As baterias de fluxo à base de ferro existem há décadas e algumas agora estão disponíveis comercialmente. Embora as baterias fluxo de oxirredução (redox) de vanádio sejam a tecnologia mais madura e popular na família de baterias de fluxo, a adoção de complexos de ferro como materiais ativos poderia aliviar os desafios associados à cadeia de abastecimento, particularmente no contexto de aplicações de armazenamento de energia em grande escala.
Uma nova tecnologia projetada por pesquisadores do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do Departamento de Energia poderia fornecer um caminho para uma bateria de fluxo segura, econômica e à base de água, feita com materiais abundantes, ao mesmo tempo que oferece forte desempenho.
Os pesquisadores desenvolveram uma fórmula química líquida que combina ferro carregado com um eletrólito líquido à base de fosfato de pH neutro. Eles usaram o produto químico chamado trifosfonato nitrogenado ácido nitrilotri-metilfosfônico (NTMPA), que está disponível comercialmente em quantidades industriais e é normalmente usado para inibir a corrosão em estações de tratamento de água.
Os fosfonatos, incluindo o NTMPA, são uma ampla família química baseada no elemento fósforo. Muitos fosfonatos dissolvem-se bem em água e são produtos químicos não tóxicos utilizados em fertilizantes e detergentes, entre outros usos.
“Estávamos procurando um eletrólito que pudesse ligar e armazenar ferro carregado em um complexo líquido à temperatura ambiente e condições operacionais amenas com pH neutro”, disse um dos autores da pesquisa Guosheng Li, cientista sênior do PNNL que lidera o desenvolvimento de materiais para dispositivos recarregáveis de armazenamento de energia. “Estamos motivados para desenvolver materiais de bateria que sejam abundantes na Terra e possam ser adquiridos internamente.”
Os pesquisadores relataram que sua bateria à base de ferro em escala de laboratório exibiu notável estabilidade de ciclagem ao longo de mil ciclos de carregamento consecutivos, mantendo 98,7% de sua capacidade. Para efeito de comparação, estudos anteriores de baterias semelhantes à base de ferro relataram degradação da capacidade de carga duas vezes maior, em menos ciclos de carga. A nova bateria também demonstrou alta eficiência coulombiana e eficiência energética próxima de 100% e 87%, respectivamente, disseram.
“Uma instalação BESS usando química semelhante à que desenvolvemos aqui teria a vantagem de operar em água com pH neutro”, disse Aaron Hollas, autor do estudo e líder de equipe do Grupo de Materiais e Sistemas de Bateria do PNNL. “Além disso, nosso sistema utiliza reagentes disponíveis comercialmente que não foram previamente investigados para uso em baterias de fluxo.”
A equipe de pesquisa relatou que seu projeto inicial pode atingir densidade de energia de até 9 Wh/L, ficando atrás dos sistemas comercializados à base de vanádio que são duas vezes mais densos em energia, a 25 Wh/L. O próximo passo é melhorar a saída de tensão da bateria e a concentração de eletrólitos, o que ajudará a aumentar a densidade de energia.
Seus resultados foram discutidos no estudo “Phosphonate-based iron complex for a cost-effective and long cycling aqueous iron redox flow battery”, publicado na Nature Communications.
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