Uma breve introdução à bateria de ar-de alumínio
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Baterias de alumínio-ar(Baterias Al-air) produzem eletricidade a partir da reação do oxigênio do ar com o alumínio. Elas têm uma das mais altas densidades de energia de todas as baterias, mas não são amplamente utilizadas devido a problemas com o alto custo do ânodo e remoção de subprodutos quando se utilizam eletrólitos tradicionais. Isto restringiu seu uso principalmente a aplicações militares. No entanto, um veículo elétrico com baterias de alumínio tem potencial para até oito vezes o alcance de uma bateria de íons de lítio com um peso total significativamente menor.
As baterias de alumínio-ar são células primárias, ou seja, não-recarregáveis. Uma vez que o ânodo de alumínio é consumido pela sua reação com o oxigênio atmosférico em um cátodo imerso em um eletrólito à base de água para formar óxido de alumínio hidratado, a bateria não produzirá mais eletricidade. Porém, é possível recarregar mecanicamente a bateria com novos ânodos de alumínio feitos a partir da reciclagem do óxido de alumínio hidratado. Essa reciclagem seria essencial se as baterias de alumínio-ar fossem amplamente adotadas.
Veículos movidos-de alumínio têm sido discutidos há algumas décadas. A hibridização mitiga os custos e, em 1989, foram relatados testes de estrada de uma bateria híbrida de alumínio-ar/chumbo-ácido num veículo eléctrico. Uma minivan híbrida plug-in-alimentada-de alumínio foi demonstrada em Ontário em 1990.
Em março de 2013, Phinergy lançou um vídeo de demonstração de um carro elétrico usando células de alumínio-ar, percorrido 330 km usando um cátodo especial e hidróxido de potássio. Em 27 de maio de 2013, o noticiário noturno do canal 10 israelense mostrou um carro com bateria Phinergy na traseira, alegando alcance de 2.000 quilômetros (1.200 milhas) antes que a substituição dos ânodos de alumínio seja necessária.
Eletroquímica
A meia reação de oxidação do ânodo-é Al + 3OH− →Al(OH)3 + 3e− -2.31 V.
A meia reação-de redução catódica é O2 + 2H2O + 4e−→ 4OH−
+0.40 V.
A reação total é 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 +2.71 V.
Cerca de 1,2 volts de diferença de potencial é criada por essas reações e é alcançável na prática quando o hidróxido de potássio é usado como eletrólito. O eletrólito de água salgada atinge aproximadamente 0,7 volts por célula.
A voltagem específica da célula pode variar dependendo da composição do eletrólito, bem como da estrutura e dos materiais do cátodo.
Outros metais podem ser usados de maneira semelhante, como ar-de lítio, ar-de zinco, ar-de manganês e ar-de sódio, alguns com maior densidade de energia. No entanto, o alumínio é atraente como o metal mais estável.
| Energia específica | 1300 (prático), 6000/8000 (teórico) W·h/kg |
|---|---|
| Densidade de energia | N/A |
| Poder específico | 200 W/kg |
| Tensão nominal da célula | 1.2 V |
Ânodo
O alumínio (Al) tem sido amplamente utilizado como material anódico em baterias de metal-de ar devido à sua alta densidade de energia, reciclabilidade e abundância. No entanto, os desafios dos ânodos de Al incluem corrosão e passivação. As impurezas no alumínio disponível comercialmente levam à formação de camadas que prejudicam o desempenho. As reações de corrosão produzem hidrogênio e formam hidróxidos de alumínio, enquanto a formação de uma película de óxido após exposição ao ar ou à água limita ainda mais a funcionalidade.
Melhorar o desempenho do ânodo de Al envolve otimizar o tamanho do grão e a orientação do cristal, já que estruturas de grãos mais finos aumentam a resistência à corrosão e a atividade eletroquímica. O estudo feito por Fan e Lu examinou a relação entre o tamanho do grão e o desempenho do ânodo. Neste estudo, ânodos de alumínio com tamanhos de grãos mais finos foram criados usando um método chamado Equal Channel Angular Pressing (ECAP). À medida que o número de passes de extrusão aumentou, os grãos tornaram-se menores e mais uniformes. No entanto, o processo tinha limitações devido ao calor proveniente da deformação causando algum crescimento de grãos. Os resultados mostraram que o refinamento do tamanho do grão melhorou a atividade eletroquímica do ânodo, reduziu a corrosão e aumentou a polarização e a resistência à transferência de carga-. Os testes confirmaram que o ânodo com grãos finos teve melhor desempenho do que aquele com grãos maiores. A estrutura-de grão fino também proporcionou melhores propriedades anti{9}}corrosão e melhor desempenho da bateria em uma solução de NaOH de 4 mol/L. A uma densidade de corrente de 10 mA/cm2, o ânodo-de grão fino apresentou um aumento de 41,5% na densidade de capacidade e um aumento de 55,5% na densidade de energia em comparação com o ânodo-de grão grosso. Além da otimização da microestrutura, o processamento dos ânodos também pode impactar o desempenho. Os ânodos fabricados com sinterização a laser apresentam maior capacidade em comparação com amostras não{6}}sinterizadas, o que destaca a importância do processamento do ânodo em termos de desempenho do ânodo.
Além de refinar a microestrutura e desenvolver melhores métodos de processamento, a liga de Al com elementos como Ga, Zn e Sn ajuda a mitigar a corrosão e a evolução do hidrogênio. O zinco, em particular, é amplamente reconhecido como um elemento de liga benéfico em ânodos de baterias de Al-ar porque ajuda a reduzir a taxa de auto-corrosão e aumenta a tensão nominal da célula. No entanto, o estudo feito por Park, Choi e Kim destaca uma desvantagem: a adição de Zn pode, na verdade, diminuir o desempenho de descarga do ânodo em soluções alcalinas devido aos efeitos de passivação durante a polarização anódica. Especificamente, o Zn promove a formação de dois tipos de filmes de oxidação. O primeiro, filme Tipo 1, é uma camada porosa composta de Zn(OH)2e ZnO defeituoso, que se forma quando Zn (OH) dissolvido42-precipitados do eletrólito a granel. O segundo, filme Tipo 2, é uma camada protetora compacta de ZnO que se forma diretamente a partir da oxidação da superfície metálica e é mais estável. Este filme Tipo 2 cria uma camada de passivação que prejudica o desempenho de descarga da bateria Al-air. No entanto, a adição de índio (In) ajuda a quebrar e desestabilizar esta camada passiva de Zn. Os íons In criam repetidamente defeitos no filme Tipo 2 por meio de um ciclo de quebra e re{8}}passivação, enfraquecendo efetivamente a barreira protetora e aumentando a eficiência de descarga da bateria. Como resultado, o uso de um ânodo de liga ternária de Al-Zn-In, produzido a partir de alumínio disponível comercialmente, em vez de alumínio caro de alta-pureza, apresenta uma solução- econômica com melhor desempenho.
As ligas de Al-depositadas com cobre também se mostraram promissoras como material anódico, formando camadas protetoras que diminuem a evolução do hidrogênio e melhoram o desempenho da descarga. Um estudo feito por Mutlu e Yazıcı mostra que a eletrodeposição de cobre ajuda a diminuir a resistência à transferência-de carga dos ânodos de alumínio. Isto ocorre porque certos compostos (como Al(OH)2+, Al7(OH)174+, Al2(OH)24+e Al13(OH)345+) acumulam-se na superfície e criam resistência. Em contraste, Al(OH)3dissolve-se em soluções alcalinas, formando Al (OH)4-, que tem menor taxa de dissolução e mantém um equilíbrio entre Al(OH) e Al(OH)4-. O cobre ajuda a remover esses compostos da superfície, reduzindo a resistência e melhorando o desempenho da descarga. Além disso, a resistência do óxido de alumínio é maior do que a da combinação de cobre-alumínio, portanto o cobre reduz a resistência do filme e o torna mais durável. No geral, os avanços na composição da liga e nos métodos de fabricação são essenciais para maximizar a eficiência e a relação-custo-benefício dos ânodos de alumínio.
Comercialização
O alumínio como “combustível” para veículos foi estudado por Yang e Knickle. Em 2002, eles concluíram:
O sistema de bateria Al/ar pode gerar energia e potência suficientes para autonomias e acelerações semelhantes às dos carros movidos a gasolina... o custo do alumínio como ânodo pode ser tão baixo quanto US$ 1,1/kg, desde que o produto da reação seja reciclado. A eficiência total de combustível durante o processo do ciclo em veículos elétricos (EVs) Al/ar pode ser de 15% (estágio atual) ou 20% (projetado), comparável à dos veículos com motor de combustão interna (ICEs) (13%). A densidade de energia projetada da bateria é de 1.300 Wh/kg (atual) ou 2.000 Wh/kg (projetada). O custo do sistema de baterias escolhido para avaliação é de US$ 30/kW (atual) ou US$ 29/kW (projetado). A análise do ciclo de vida-de EVs Al/air foi realizada e comparada com EVs de chumbo/ácido e hidreto metálico de níquel (NiMH). Apenas os EVs Al/air podem ser projetados para ter uma autonomia de viagem comparável aos ICEs. A partir dessa análise, os veículos elétricos Al/air são os candidatos mais promissores em comparação aos ICEs em termos de autonomia de viagem, preço de compra, custo de combustível e custo do-ciclo de vida.
Ainda há problemas técnicos a serem resolvidos para tornar as baterias Al-air adequadas para veículos elétricos. Os ânodos feitos de alumínio puro são corroídos pelo eletrólito, portanto o alumínio geralmente é ligado com estanho ou outros elementos. A alumina hidratada criada pela reação celular forma uma substância semelhante a um gel-no ânodo e reduz a produção de eletricidade. Esta é uma questão que está sendo abordada no trabalho de desenvolvimento das células Al-air. Por exemplo, foram desenvolvidos aditivos que formam a alumina como um pó em vez de um gel.
Os cátodos de ar modernos consistem em uma camada reativa de carbono com um coletor de corrente de grade de níquel, um catalisador (por exemplo, cobalto) e um filme poroso de politetrafluoroetileno hidrofóbico que evita vazamento de eletrólito. O oxigênio do ar passa através do politetrafluoroetileno e reage com a água para criar íons hidróxido. Esses cátodos funcionam bem, mas podem ser caros.
As baterias Al-air tradicionais tinham uma vida útil limitada, porque o alumínio reagia com o eletrólito e produzia hidrogênio quando a bateria não estava em uso; este não é mais o caso dos designs modernos. O problema pode ser evitado armazenando o eletrólito em um tanque fora da bateria e transferindo-o para a bateria quando for necessário para uso.
Essas baterias podem ser usadas como baterias de reserva em centrais telefônicas e como fontes de energia de reserva.
Outro problema é o custo dos materiais que precisam ser adicionados à bateria para evitar queda de energia. O alumínio ainda é muito barato comparado a outros elementos usados na construção de baterias. O alumínio custa US$ 2,51 por quilograma, enquanto o lítio e o níquel custam US$ 12,59 e US$ 17,12 por quilograma, respectivamente. No entanto, um outro elemento normalmente usado no ar de alumínio como catalisador no cátodo é a prata, que custa cerca de US$ 922 por quilograma (preços de 2024).
As baterias alumínio-ar podem tornar-se uma solução eficaz para aplicações marítimas devido à sua elevada densidade energética, baixo custo e abundância de alumínio, sem emissões no ponto de utilização em barcos e navios. AlumPower, Phinergy Marinha, Registro 9 Materiais, RiAlAiR e diversas outras empresas comerciais estão trabalhando em aplicações comerciais e militares no ambiente marinho.
A pesquisa e o desenvolvimento estão ocorrendo em eletrólitos alternativos, mais seguros e de maior desempenho, como solventes orgânicos e líquidos iônicos. Outros, como a AlumaPower, estão se concentrando em métodos mecânicos para mitigar muitos dos problemas históricos com baterias Al-air. A patente da AlumaPower (US US10978758B2) ilustra um método que gira o ânodo, eliminando padrões de desgaste e corrosão do ânodo. A patente afirma ainda que o projeto pode usar qualquer sucata de alumínio, incluindo latas de refrigerante fundidas novamente e blocos de motor.
