30 de janeiro de 2024
(Destaque do Nanowerk) A transição para a energia eólica e solar renováveis enfrenta um obstáculo fundamental na falta de opções acessíveis de armazenamento de energia em grande escala. Sem baterias económicas ao nível da rede, os problemas de flutuação e intermitência tornam impraticável a adopção generalizada da geração sustentável. Depois de avanços promissores na redução das despesas de produção de componentes como painéis solares e turbinas eólicas, a tecnologia de armazenamento emergiu como o último obstáculo a ser superado. Apesar da intensa pesquisa e desenvolvimento das principais empresas de baterias, os produtos químicos predominantes de íons de lítio lutam para alcançar a combinação de preços baixos, segurança, estabilidade e alto ciclo de vida necessários para esta aplicação. O potencial emergente das baterias de íons de sódio reenergizou os esforços, mas seu sucesso depende do desenvolvimento de eletrodos adequados sem materiais raros ou tóxicos excessivos. Num artigo publicado em Materiais funcionais avançados (“Tea-Derived Sustainable Materials”), uma equipe liderada pelo Dr. Xingcai Zhang, da Universidade de Harvard, detalha o desenvolvimento de um ânodo de bateria de íons de sódio de alto desempenho usando um material inovador derivado de resíduos de folhas de chá. Com base nos avanços recentes que tornaram as baterias de íon de sódio uma alternativa viável e de baixo custo à tecnologia predominante de íon de lítio, o ânodo de origem de biomassa dos pesquisadores demonstra qualidades que poderiam permitir a próxima geração de armazenamento de energia acessível e sustentável no nível da rede. Tentativas anteriores de baterias de íon de sódio alcançaram baixo custo, mas sofreram muito em áreas de desempenho como capacidade de carga, longevidade e taxas de carregamento para substituir o domínio do íon de lítio. Muito disso decorre de desafios químicos fundamentais, já que o tamanho maior dos íons de sódio restringe o movimento rápido dentro dos componentes da bateria. O avanço central do ânodo de folhas de chá do Dr. Zhang reside na maneira como ele equilibra essas limitações inerentes. Através de um processo simples de pirólise de uma etapa, os pesquisadores convertem os caules das folhas de chá cruas em um material de “carbono duro” otimizado para armazenamento de íons de sódio. Em comparação com os ânodos à base de carbono existentes, o carbono duro derivado do chá residual da equipe, denominado TS-1400-HCl, oferece métricas substancialmente melhoradas em todos os aspectos. Ele fornece capacidade inicial 70% maior, eficiência 91% maior no primeiro ciclo de carga/descarga e longevidade 7 a 9 vezes maior em 500 ciclos. Fundamentalmente, o TS-1400-HCl atinge esse desempenho inovador usando apenas componentes básicos baratos por meio de um processo industrial escalonável.
Imagem HRTEM de TS-1400-HCl. (Reproduzido com permissão por Wiley-VCH Verlag) Os pesquisadores atribuem as capacidades do TS-1400-HCl às melhorias estruturais possibilitadas pelos caules precursores das folhas do chá e pelo tratamento ácido estratégico. Sua estrutura de biomassa naturalmente porosa facilita a penetração do eletrólito, ao mesmo tempo que retém amplos defeitos e vazios para adsorção de íons de sódio. A lavagem ácida remove impurezas que levaram à perda de capacidade na forma bruta. Esta abordagem dupla resulta em um ânodo de carbono otimizado, proporcionando espaçamento expandido entre camadas semelhantes a grafite, locais de adsorção abundantes em micro e mesoporos e excelente robustez estrutural durante carregamentos repetidos. Por meio de análise espectroscópica, o grupo do Dr. Zhang confirmou que o armazenamento de íons de sódio do TS-1400-HCl ocorre por meio de um processo de adsorção de superfície preenchendo poros e defeitos, seguido por intercalação entre folhas de grafite mais profundas no eletrodo a granel. Este mecanismo duplo, aproveitando os pontos fortes da textura de carbono duro de biomassa personalizada, faz pleno uso do material para garantir alta capacidade e eficiência elétrica. Testes de viabilidade no mundo real de uma célula tipo moeda totalmente de íon de sódio consolidaram ainda mais a candidatura do TS-1400-HCl como eletrodo de produção em massa. Sem sequer pré-sadiar o ânodo para prepará-lo para a estabilidade, a célula cheia da folha de chá do Dr. Zhang com um Na3V2(PO4)3 o cátodo ainda alcançou longevidade excepcional em mais de 1000 ciclos e densidade de energia competitiva com baterias comerciais de íon de lítio. Tais demonstrações de prontidão sem pré-processamento especializado ressaltam a viabilidade e a relação custo-benefício do TS-1400-HCl. Os pesquisadores estimam que o tratamento ácido barato e o recozimento usados para produzir seus ânodos de carbono duro permitiriam preços competitivos em torno de US$ 5-7 por kg em escala. Combinado com a abundância de recursos de folhas de chá cruas – só a produção anual da China ultrapassa 1 bilhão de kg – o grupo do Dr. Zhang acredita que sua abordagem de biomassa tem um forte potencial para sustentabilidade real e impacto ambiental positivo como material de bateria convencional e acessível. Com a pesquisa contínua em materiais catódicos complementares focados na maximização do desempenho em vez da redução de custos, as baterias de íons de sódio integrando eletrodos como o TS-1400-HCl poderão em breve desbloquear a adoção em massa de sistemas de armazenamento e distribuição de energia limpa em grande escala. Ao transformar resíduos em watts, o advento de baterias de rede baratas, duráveis e ecológicas está um passo mais próximo.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
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