A Química dos Sistemas de Armazenamento de Energia

Como a dependência mundial de combustíveis fósseis e fontes de energia não renováveis ​​está diminuindo na sociedade mais verde de hoje, estamos vendo uma mudança em direção a um maior uso de energia renovável em todas as formas. No entanto, um dos fatores limitantes da energia renovável tem sido a capacidade de armazenar essa energia, e essa é a razão pela qual os veículos elétricos levaram muito tempo para chegar ao mercado. O mesmo pode ser dito para tecnologias portáteis, como telefones e laptops, onde um dos principais pontos de venda dessas tecnologias é a duração da bateria. A duração da bateria, quando se trata disso, é a capacidade da bateria de armazenar com eficiência energia até que seu uso seja necessário.

 

Os princípios subjacentes ao armazenamento de energia e, portanto, quaisquer avanços que surgiram nos últimos anos, são devidos a várias interações e princípios químicos. Deve-se notar que essas reações químicas não são como as que mais se associariam à química - ou seja, pegar uma molécula e reagir com outra para criar uma molécula diferente. Em vez disso, os princípios são eletroquimicamente baseados, o que envolve a alteração na carga de um íon para facilitar os movimentos de elétrons e inclui mecanismos como de migração de íons e elétrons, a utilização de orifícios em uma rede de estado sólido e meias reações eletroquímicas, entre outras. Aqui, detalhamos como alguns dispositivos comuns de armazenamento de energia dependem da química para funcionar com eficiência.

 

 

Capacitores

 

Os capacitores são um dos dispositivos mais antigos para armazenar energia e fazem isso armazenando energia potencial em um campo elétrico. Os capacitores trabalham usando um fenômeno conhecido como capacitância, que é a mudança na carga elétrica em relação a uma mudança no potencial elétrico. Existem muitos tipos diferentes de capacitores, todos com mecanismos ligeiramente diferentes, mas os capacitores padrão possuem duas regiões condutoras separadas por uma placa dielétrica não condutora ou por vácuo.

 

Em um capacitor, quando uma carga elétrica de outro componente, dispositivo ou outra fonte elétrica faz com que uma carga se manifeste em um dos condutores, uma força será exercida nos portadores de carga dentro do outro condutor. Isso faz com que os portadores de carga atraiam espécies carregadas de maneira oposta, repelindo cargas semelhantes para o outro condutor, o que leva a uma separação de cargas entre as superfícies dos dois condutores. Como os dois condutores têm uma quantidade igual de cargas, a região dielétrica que separa os dois condutores desenvolve um campo elétrico.

 

A energia pode ser armazenada dentro de um capacitor porque as regiões condutoras estão próximas. Essa curta distância faz com que as cargas sejam atraídas uma pela outra na presença do campo elétrico. O capacitor é capaz de armazenar uma grande quantidade de energia elétrica para uma tensão definida, realizando uma grande quantidade de trabalho para mover as placas juntas. A quantidade de trabalho realizado aumenta exponencialmente à medida que a distância entre as placas diminui.

 

 

Baterias

 

Atualmente, existem muitas baterias diferentes em uso - desde baterias à base de alumínio até vários tipos de baterias de lítio (Li-air, Li-metal, etc.) e baterias de fluxo redox. Dado que o foco aqui está no armazenamento de energia, o foco está nas baterias recarregáveis ​​de íon de lítio porque são tão amplamente usadas e baterias de fluxo redox quanto em aplicações de armazenamento de energia em larga escala.

 

 

Li-ion

 

As baterias de Li-ion armazenam energia quando carregadas e liberam essa energia lentamente após a descarga, ou seja, quando o dispositivo que segura a bateria está ligado. Para armazenar energia, essas baterias são carregadas, o que é facilitado por uma reação de redução no cátodo. Essa reação de redução faz com que os elétrons de uma fonte externa - como a eletricidade da rede elétrica - se combinem com os íons de lítio. Isso faz com que os íons migrem e intercalem dentro do ânodo; com isso, a energia é essencialmente armazenada na forma de elétrons ligados dentro dos íons de lítio. Quando um usuário liga um dispositivo, a bateria passa por um processo de descarga através de uma reação de oxidação. O processo de descarga move os íons de lítio para o cátodo e libera elétrons, o que gera a corrente utilizável. Se uma bateria não estiver executando um desses mecanismos, os íons serão absorvidos no eletrólito entre os dois eletrodos.

 

 

Redox-Flow

 

As baterias de fluxo redox são projetadas mais para armazenamento de energia a granel. Embora as baterias de fluxo redox possam ser usadas com vários íons de metais de transição, elas são mais comumente usadas com ferro, vanádio e zinco. As baterias de fluxo redox são muito diferentes dos sistemas de íons de lítio. Uma das principais diferenças é que dois sistemas de solventes estão envolvidos no processo eletroquímico. Cada um desses sistemas de solventes possui componentes ativos - geralmente um sal metálico - dissolvidos no solvente. Esta dissolução pode assumir a forma de uma dissolução parcial ou total do componente ativo.

 

As soluções eletrolíticas são frequentemente mantidas em tanques externos separados. As soluções são bombeadas pelo sistema enquanto passam por um eletrodo, mas mantidas separadas uma da outra por uma membrana separadora de íons. O mecanismo de troca iônica entre os dois eletrodos cria o potencial elétrico e gera eletricidade. A razão de seu uso em aplicações de armazenamento de energia em larga escala é que a capacidade de armazenar energia dentro desses tanques é muito maior que as baterias convencionais.

 

Nesses sistemas, as reações eletroquímicas e o armazenamento de energia ocorrem dentro do eletrólito e não no eletrodo e dependem de meias reações eletroquímicas. Após a descarga, o lado anódico sofre uma reação de oxidação. Essa reação libera um elétron, que viaja para o lado catódico da célula, onde é aceito por uma reação de redução. O mecanismo de carregamento é o mesmo princípio, apenas que a direção da corrente e as reações eletroquímicas são invertidas. Todo o sistema é equilibrado através da troca de íons de hidrogênio com carga positiva para manter a neutralidade da carga.

 

 

Armazenamento de hidrogênio

 

O armazenamento de hidrogênio foi realizado mais recentemente do que os outros métodos detalhados aqui, mas é uma área importante para o desenvolvimento de veículos elétricos (VE). O armazenamento de hidrogênio é muito versátil, e os íons hidrogênio, que são a fonte de energia nesse caso, podem ser armazenados em várias formas gasosas, líquidas e sólidas. O armazenamento físico de hidrogênio assume a forma de gás hidrogênio comprimido, hidrogênio líquido armazenado em tanques e hidrogênio resfriado a condições criogênicas e depois compactado.

 

No entanto, existem muitos tipos diferentes de armazenamento de hidrogênio em formas sólidas que usam os princípios da química orgânica e de materiais para armazenar o hidrogênio com segurança. Em cada um desses mecanismos de armazenamento, o hidrogênio será armazenado até que um estímulo - como o calor - faça com que a natureza química do meio de armazenamento mude e libere o hidrogênio.

 

Existem dois métodos comuns de armazenamento de hidrogênio em materiais sólidos:

  • O primeiro método é através da absorção química na superfície de um sólido, como uma estrutura orgânica de metal (MOF).
  • O segundo método é através da migração intersticial para uma rede sólida. Este método também começa com as moléculas de hidrogênio sendo adsorvidas na superfície do sólido. As moléculas de hidrogênio são então dissociadas em átomos de hidrogênio e armazenadas dentro dos orifícios da rede de estado sólido.

 

Os métodos finais nos quais o hidrogênio pode ser armazenado - novamente depende fortemente da química - são por meio de reações químicas.

  • O primeiro método é através da reação com metais para formar um hidreto metálico. Nesse tipo de reação química, o hidrogênio se torna um íon intersticial entre os íons metálicos.
  • O segundo método é através de reações orgânicas líquidas com compostos químicos que possuem alta afinidade pela absorção de hidrogênio - como derivados de carbazol e tolueno.
  • O terceiro método é através da reação de materiais contendo hidrogênio com água ou outros solventes ricos em oxigênio. Nesse tipo de reação química, o hidrogênio é armazenado tanto no material quanto no solvente.

 

Conclusão

No geral, existem muitas maneiras de armazenar energia, mas em muitos casos o tipo de dispositivo de armazenamento de energia usado depende da aplicação pretendida. No entanto, independentemente da aplicação, todo dispositivo de armazenamento de energia depende de mecanismos eletroquímicos eficientes para não apenas migrar íons e elétrons relevantes, mas também para armazenar o potencial de energia quando necessário. Portanto, a química está no centro de qualquer aplicação de armazenamento de energia.

 

Artigo escrito originalmente por Liam Critchley para Mouser Electronics: The Chemistry of Energy Storage Systems Traduzido por Equipe Embarcados.

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