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Jun 22, 2023

Lítio

Por SPW | 29 de janeiro de 2019 Por Sofiane Boukhalfa, PhD, arquiteta de projetos; e

Por SPW | 29 de janeiro de 2019

Por Sofiane Boukhalfa, PhD, arquiteta de projetos; e Navneeta Kaul, PhD, pesquisador; ambos com PreScouter

O mundo moderno funciona com baterias à base de lítio. Numerosos produtos químicos e novas tecnologias estão sendo desenvolvidos para combater as limitações das baterias de íon-lítio, incluindo o alto custo, fornecimento de matérias-primas e superaquecimento. A empresa de inteligência de pesquisa PreScouter, com sede em Chicago, divulgou recentemente um relatório detalhando 10 novas tecnologias de bateria prontas para revolucionar o mercado na próxima década e inaugurar a próxima onda de baterias de alto desempenho. Aqui está uma visão de alto nível das descobertas do relatório, incluindo uma revisão dessas tecnologias de bateria mais valiosas para armazenamento solar.

Dez tecnologias de bateria que podem atrapalhar o mercado de energia solar e armazenamento nos próximos cinco a 10 anos. PreScouter

As baterias de íons de lítio tradicionalmente usam ânodos de grafite, mas pesquisadores e empresas agora estão se concentrando em ânodos de silício. Os ânodos Si-dominantes podem ligar Li-íon 25 vezes mais do que os íons de grafite. No entanto, essas baterias sofrem de baixa condutividade elétrica, taxa de difusão lenta e grandes flutuações volumétricas durante a litiação. Essas limitações resultam em pulverização de Si e instabilidade da interfase de eletrólito sólido (SEI).

Duas estratégias principais foram usadas para contornar esses desafios: nanotecnologia e revestimento de carbono. No primeiro método, vários ânodos de Si de tamanho nano são usados, que têm uma área de superfície elevada, ciclo de vida melhorado e estabilidade de taxa em comparação com ânodos de Si a granel. Eles também podem suportar litiação e delitiação sem rachaduras. O revestimento de carbono usa uma combinação de Si nanométrico com diferentes formas de materiais de carbono para a geração de ânodos nanocompósitos de Si/C de alto desempenho. Recentemente, o carbono dopado com heteroátomos como agentes de revestimento atraiu muito interesse. Os eletrodos de Si-C dopados com heteroátomos ligam os íons de Li mais fortemente do que os átomos de carbono, levando a um excelente desempenho eletroquímico com condutividade elétrica estável.

As baterias à base de Si têm gerado muito interesse comercial devido ao seu potencial de baixo custo e recursos aprimorados para carros e smartphones. A competição é feroz, com muitas empresas iniciantes, incluindo Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials e Enevate, para comercializar baterias Li-Ion Si-dominantes.

Uma das alternativas mais promissoras às baterias de lítio-enxofre são as baterias de sódio-enxofre, devido às propriedades físicas e químicas semelhantes dos íons Na e Li. No entanto, é necessária uma temperatura elevada (>300°C) para o funcionamento com bateria. Como uma alternativa promissora, o sistema de bateria RT-NaS de baixo custo tem gerado amplo interesse de pesquisa para uso em aplicações de rede em larga escala com maior segurança. No entanto, devido a reações complexas dentro da bateria, as baterias RT-NaS sofrem de uma capacidade teórica menor.

Várias abordagens foram usadas em 2018 para resolver os problemas das baterias RT-NaS.

Uma nova abordagem para baterias recarregáveis. Bateria RT-NaS com membrana de malha metálica. MIT

Ilustração esquemática da síntese do carbono oco decorado com nanopartículas de cobalto. Natureza

Ilustração esquemática dos eletrólitos com NaTFSI 1M convencional em eletrólito PC e (à direita) 2MNaTFSI em PC:FEC com eletrólito aditivo InI3 10mM. Natureza

Embora as baterias RT-NaS ainda estejam na fase inicial de desenvolvimento, empresas como a Ambri, uma empresa derivada do MIT liderada pelo Dr. Sadoway, está trabalhando para melhorar o design da bateria. A próxima geração de tecnologias de armazenamento de energia baseadas em NaS poderá em breve se tornar uma realidade com os esforços de pesquisa em andamento e as abordagens discutidas acima.

Muitos esforços de pesquisa têm sido dedicados à geração de células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM) de alto desempenho. No entanto, a viabilidade das células de combustível PEM tem sido um desafio devido ao seu alto custo, transporte e armazenamento de gás hidrogênio.