Desenvolvida a primeira bateria de sódio em estado sólido sem ânodo do mundo
(pme.uchicago.edu)- Pesquisadores do laboratório de Y. Shirley Meng na UChicago PME, em colaboração com a UC San Diego, combinaram uma estrutura de sódio + eletrólito sólido + sem ânodo, aproximando a possibilidade de baterias de baixo custo, recarga rápida e alta capacidade para veículos elétricos e armazenamento em rede
- Ao usar o abundante sódio no lugar do lítio e remover o ânodo, a proposta reduz custos e impacto ambiental, enquanto o projeto em estado sólido busca garantir segurança e potência
- O artigo na Nature Energy informa que a nova estrutura apresentou ciclagem estável por centenas de ciclos, e o ponto central é ter reunido em uma única arquitetura três conceitos de bateria que antes eram implementados separadamente
- O ponto-chave do projeto foi fazer com que o coletor de corrente de pó de alumínio envolvesse o eletrólito, em vez de o eletrólito envolver o coletor de corrente, criando contato íntimo como em um líquido, mesmo sendo um sistema sólido
- A equipe avalia que essa abordagem é um passo para reduzir a lacuna de escala das baterias necessária para substituir combustíveis fósseis, e já concluiu o depósito de patente por meio do UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
Combinando sódio, estado sólido e ausência de ânodo em uma única estrutura
- O Laboratory for Energy Storage and Conversion do laboratório de Y. Shirley Meng na UChicago Pritzker Molecular Engineering criou a primeira bateria de sódio em estado sólido sem ânodo do mundo
- O LESC é uma organização colaborativa entre a UChicago Pritzker School of Molecular Engineering e o Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering da UC San Diego
- Baterias de sódio, baterias de estado sólido e baterias sem ânodo já existiam separadamente, mas não havia casos de combinação bem-sucedida das três ideias
- O artigo Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery foi publicado na Nature Energy, e a nova estrutura apresentou ciclagem estável por centenas de ciclos
Por que reduzir a dependência do lítio
- O lítio existe na crosta terrestre em cerca de 20 ppm, enquanto o sódio está presente em cerca de 20.000 ppm, sendo muito mais abundante
- Com o aumento da demanda por baterias de íons de lítio para notebooks, celulares e veículos elétricos, cresceram também a pressão sobre o preço e o fornecimento do lítio, tornando mais difícil garantir o volume de baterias necessário
- As reservas de lítio estão concentradas em algumas regiões
- O Triângulo do Lítio de Chile, Argentina e Bolívia concentra mais de 75% do suprimento mundial de lítio
- Outras reservas ficam na Austrália, Carolina do Norte, Nevada e outros locais
- A extração de lítio pode causar danos ambientais, seja pelo uso de ácidos industriais na decomposição do minério, seja pelo método de extração de salmoura, que bombeia grandes volumes de água para a superfície para evaporação
- O sódio é comum na água do mar e na mineração de barrilha, sendo considerado uma opção mais ecologicamente amigável como material para baterias
O que as baterias sem ânodo ganham e perdem
- Baterias tradicionais têm um ânodo que armazena íons durante a carga e, durante o uso, os íons se movem do ânodo através do eletrólito até o cátodo, que atua como coletor de corrente, fornecendo energia a dispositivos e automóveis
- Baterias sem ânodo removem o ânodo e armazenam os íons diretamente sobre o coletor de corrente, na forma de deposição eletroquímica de metal alcalino
- Essa abordagem pode permitir maior tensão de célula, menor custo por célula e maior densidade de energia, mas dificulta o contato entre eletrólito e coletor de corrente
- O problema de contato varia bastante conforme o tipo de eletrólito
- Eletrólitos líquidos conseguem molhar superfícies e fluir para qualquer lugar, facilitando a formação de contato
- Eletrólitos sólidos não conseguem fluir nem molhar superfícies da mesma forma
- Eletrólitos líquidos formam acúmulo de camada de interfase eletrolítica sólida, consumindo continuamente material ativo e reduzindo a utilidade da bateria com o tempo
Projeto do coletor de corrente com pó de alumínio
- Em vez de fazer o eletrólito envolver o coletor de corrente, os pesquisadores escolheram uma estrutura em que o coletor de corrente envolve o eletrólito
- O coletor de corrente foi produzido com pó de alumínio, um sólido que pode fluir como um líquido
- Durante a montagem da bateria, o pó foi densificado sob alta pressão para formar um coletor de corrente sólido, mantendo ao mesmo tempo um contato com o eletrólito semelhante ao de um líquido
- Essa estrutura pode viabilizar ciclagem de baixo custo e alta eficiência, impulsionando o desenvolvimento de baterias de sódio em estado sólido
- Baterias de sódio em estado sólido costumam ser vistas como uma tecnologia de futuro distante, mas este resultado mostra que elas podem funcionar bem na prática, o que pode acelerar mais pesquisas na área
Expansão de escala e rumo à comercialização
- Meng afirmou que operar os Estados Unidos por uma hora exigiria 1 TWh de energia, e que a descarbonização da economia exigirá baterias na escala de centenas de TWh
- Este estudo é avaliado como um avanço científico para preencher a lacuna de escalabilidade das baterias necessária para a transição da economia mundial para longe dos combustíveis fósseis
- Meng imagina um futuro em que diversas opções de baterias limpas e baratas, expandidas para atender às necessidades sociais, armazenem energia renovável
- Meng e Grayson Deysher já concluíram o depósito de patente referente a esta pesquisa por meio do UC San Diego Office of Innovation and Commercialization
- O apoio à pesquisa foi fornecido por meio do grant Partnerships for Innovation da National Science Foundation, nº 2044465
1 comentários
Opiniões no Hacker News
O preço do lítio na verdade caiu 80% nos últimos 2 anos, então essa parte do artigo está errada pelos dados atuais
“O lítio, comumente usado em baterias, não é tão comum assim. Ele existe em cerca de 20 ppm na crosta terrestre, enquanto o sódio é 20.000 ppm.
Essa escassez, somada ao rápido aumento da demanda por baterias de íons de lítio para notebooks, celulares e veículos elétricos, fez os preços dispararem, tornando mais difícil obter as baterias necessárias.”
Fonte: https://tradingeconomics.com/commodity/lithium
https://www.bradley.com/insights/publications/2024/02/lithiu...
Dito isso, isto é um texto de divulgação de universidade, então é o jeito típico de fazer tanto o problema que evitaram quanto o impacto que criaram parecerem grandes
No essencial, baterias sem ânodo têm muitas características desejáveis, então é um feito de engenharia digno de atenção. Em especial, os materiais são acessíveis a ponto de vários países poderem obter suas próprias matérias-primas e fabricar baterias, e elas não falham por aquecimento mesmo se a integridade da célula for comprometida, o que as torna mais adequadas para carros do que as baterias de lítio atuais
O próximo obstáculo é o custo de produção em massa, ponto em que muitas inovações em baterias tropeçam. Se conseguirem baixar para US$ 1/kWh, como vi ontem, veremos muitas dessas baterias
Eles não preveem um pequeno excedente, mas um excesso grande, e acham que os preços vão cair e que baterias novas e caras, em particular, terão dificuldade para competir enquanto os fabricantes existentes reduzem preços
Nos próximos anos, fabricaremos mais baterias do que tudo que já foi produzido até agora. A produção está crescendo de pouco menos de 1 TWh por ano para vários TWh. A Bloomberg NEF estima a demanda do ano que vem em cerca de 1,6 TWh/ano e acompanha investimentos ligados a novas fábricas somando 7,9 TWh/ano. Nem todas serão construídas, mas é uma capacidade enorme e também uma grande demanda por lítio. Mesmo assim, como apontado, os preços estão caindo. Porque há lítio suficiente e ele não é mais escasso
O lítio é abundante em lugares como Chile e Bolívia, mas o maior produtor real é a Austrália. O Chile está prestes a perder o segundo lugar para a China: https://www.visualcapitalist.com/ranked-the-worlds-largest-l...
Tudo isso antes de considerar químicas de bateria que não usam lítio. Íons de sódio parecem bastante promissores agora. Não precisam de lítio, cobalto, níquel etc. e já são usados em carros baratos e em armazenamento para a rede elétrica. Especialmente no armazenamento para a rede, baterias à base de lítio não são necessariamente a escolha mais natural
Não entendo muito de eletricidade, mas imagino que, para os elétrons fluírem, seja necessário um ânodo
Na Wikipedia está escrito que “em vez disso, ela cria um ânodo metálico quando é carregada pela primeira vez”
Ainda não está totalmente claro, mas parece fazer algum sentido
A frase completa da Wikipedia é: “Uma bateria sem ânodo (AFB) é uma bateria fabricada sem ânodo. Em vez disso, ela cria um ânodo metálico quando é carregada pela primeira vez”
Parece meio “serverless” ;)
Quando a bateria tem carga, uma parte do sódio metálico atua como ânodo. Quando está totalmente descarregada, o sódio se deslocou para o cátodo, portanto não há ânodo
Não sei por que deveríamos nos empolgar com o fato de que “ela cria um ânodo metálico quando é carregada pela primeira vez”
Não estou sendo sarcástico; é uma pergunta que gostaria de entender como se fosse explicada para uma criança de 5 anos
Na4MnCr(PO4)3
O cromo é 5 vezes mais abundante que o lítio na crosta terrestre (0,01% vs. 0,002%). É melhor, mas não parece uma diferença enorme
Baterias de íons de sódio “comuns” que usam azul da Prússia parecem ter a grande vantagem de não usar elementos raros. Seria bom ver uma comparação entre essa composição química de estado sólido e o método convencional
As energias livres de Gibbs de formação dos óxidos de cromo e da cromita são muito mais negativas do que as dos minerais que contêm lítio; por isso, compostos de Cr tendem termodinamicamente a precipitar a partir de fundidos e soluções, formar minerais de alta concentração e depois ser empurrados para cima por outros processos. O Li+ não forma ligações relativamente fortes nem fases minerais muito estáveis com facilidade, por causa de seu único elétron de valência
Além disso, os coeficientes de difusão das espécies de Cr em magmas e rochas são, em geral, várias ordens de grandeza menores que os do Li. O Cr fica preso cedo nas estruturas cristalinas e permanece ali, enquanto o Li continua se movendo e se difundindo na forma de minerais solúveis em água. Também há ciclos biogeoquímicos em que microrganismos podem concentrar Cr em sedimentos
[0] https://www.statista.com/statistics/598320/mine-production-o...
https://wikipedia.org/wiki/Prussian_blue
A extração pode ser trabalhosa, mas não é um material que vá se esgotar
Também é importante saber se é cromo trivalente, cromo hexavalente ou alguma outra forma
Chromium > Precautions:
https://en.wikipedia.org/wiki/Chromium#Precautions
O preprint do artigo está aqui: https://chemrxiv.org/engage/api-gateway/chemrxiv/assets/orp/...
A afirmação de que “a extração de lítio também prejudica o meio ambiente. A extração de salmoura leva enormes quantidades de água à superfície e as seca” me parece um pouco exagerada
Bombear água de leitos de lagos secos, com pouca vida, e evaporá-la fica em um nível bem baixo na escala de impacto ambiental da mineração. Fico curioso sobre como isso se compara à extração de sódio
O sódio pode ser obtido evaporando água do mar em tanques, mas esse método destrói áreas úmidas. Há muitos lugares assim ao redor da SF Bay, e alguns estão sendo restaurados ao estado original
‘Environmental impact of direct lithium extraction from brines’ (2023), da Nature Reviews Earth & Environment, PDF: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00387-5.pdf
Não diz nada sobre densidade de energia, volume ou ciclos de carga
Este anúncio é uma conquista científica, não um produto final de consumo
Portanto, ainda está em fase experimental, e uma versão de produto provavelmente não sairá em um ano — talvez demore bem mais. Produtos naturalmente acabam se especializando em várias categorias, como vida útil, peso e capacidade; só então essas métricas passam a fazer sentido. Até lá, é apenas um resultado experimental com métricas comparáveis a resultados experimentais anteriores
O gráfico mostra densidade de cerca de 400 Wh/kg e cerca de 800 Wh/L. Para armazenamento em rede, são números aceitáveis
O artigo https://www.nature.com/articles/s41560-024-01569-9 infelizmente está atrás de paywall
É esperar para ver. Em tecnologia de baterias, o sucesso ou fracasso depende de as reações de superfície, que são sujas e complexas durante os ciclos de descarga em tamanhos práticos, serem realmente reversíveis
Espero que seja um avanço de verdade, mas imagino que o primeiro comentário vá apontar algo importante que esta bateria não consegue fazer no mundo real
A maioria das empresas de baterias totalmente em estado sólido baseadas em lítio de que ouvimos falar durante o ciclo de hype tinha baterias totalmente em estado sólido com número de ciclos e densidade que pareciam bons, mas que eram basicamente do tamanho de uma bateria de relógio
Mas elas não conseguiram escalar. Ou seja, não conseguiam fabricar as baterias grandes usadas por veículos elétricos modernos, nem produzi-las em massa nos formatos de bateria usados no mundo real
Ainda assim, isto parece muito promissor
O resumo termina com “esta arquitetura de célula serve como uma direção futura para outras químicas de bateria a fim de viabilizar baterias de baixo custo, alta densidade de energia e carregamento rápido”. É uma pesquisa básica e exploratória importante
Um dia as universidades realmente terão que repensar como divulgam pesquisas. No mínimo, precisam suavizar títulos que parecem ter saído de uma startup fraudulenta, não de um laboratório
O que importa em baterias é escala e custo total. Mesmo que os elementos sejam mais baratos, o que importa é se conseguem entregar um produto significativamente melhor ou mais barato que o padrão atual. Basta ver a ascensão das LFP
Também é crucial saber se é possível usar fábricas e técnicas de fabricação existentes, ou se tudo precisa ser inventado ou construído do zero. Ouço falar de baterias totalmente em estado sólido há 15 anos, mas ainda não apareceu nada em escala grande o suficiente
Se as baterias totalmente em estado sólido decolarem, provavelmente será primeiro na aviação elétrica e em supercarros, onde o custo pode ser escondido em produtos mais caros e há necessidade de maior densidade
Se for “ciclagem estável por centenas de ciclos”, isso fica uma ordem de grandeza abaixo do necessário para uma bateria utilizável
Tomara que isso tenha sucesso comercial e faça desaparecer por completo os processos sujos de fabricar e implantar baterias de lítio
Espero que passemos a depender menos da China e de países com práticas trabalhistas duvidosas, como trabalho infantil ou regulamentações de segurança quase inexistentes
Aviso: eu realmente quero que essas baterias deem certo