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Ciência simplificada: o que são baterias e como funcionam?

2021-06-16

TÓPICOS:
Bateria, tecnologia, DOE, energia, baterias de íon de lítio
Pelo DEPARTAMENTO DE ENERGIA DOS EUA 9 DE MAIO DE 2021



Baterias e dispositivos semelhantes aceitam, armazenam e liberam eletricidade sob demanda. As baterias usam química, na forma de potencial químico, para armazenar energia, assim como muitas outras fontes de energia cotidianas. Por exemplo, as toras armazenam energia em suas ligações químicas até que a queima converta a energia em calor.

A gasolina é a energia potencial química armazenada até ser convertida em energia mecânica no motor de um carro. Da mesma forma, para as baterias funcionarem, a eletricidade deve ser convertida em uma forma potencial química antes de ser armazenada prontamente.

As baterias consistem em dois terminais elétricos chamados cátodo e ânodo, separados por um material químico chamado eletrólito. Para aceitar e liberar energia, uma bateria é acoplada a um circuito externo. Os elétrons se movem através do circuito, enquanto simultaneamente os íons (átomos ou moléculas com carga elétrica) se movem através do eletrólito.

Em uma bateria recarregável, elétrons e íons podem se mover em qualquer direção através do circuito e do eletrólito. Quando os elétrons se movem do cátodo para o ânodo, eles aumentam a energia potencial química, carregando a bateria; quando se movem na outra direção, eles convertem essa energia potencial química em eletricidade no circuito e descarregam a bateria. Durante o carregamento ou descarregamento, os íons com carga oposta se movem dentro da bateria através do eletrólito para equilibrar a carga dos elétrons que se movem através do circuito externo e produzir um sistema sustentável e recarregável. Uma vez carregada, a bateria pode ser desconectada do circuito para armazenar a energia potencial química para uso posterior como eletricidade.

As baterias foram inventadas em 1800, mas seus processos químicos são complexos. Os cientistas estão usando novas ferramentas para entender melhor os processos elétricos e químicos em baterias para produzir uma nova geração de armazenamento de energia elétrica altamente eficiente. Por exemplo, eles estão desenvolvendo materiais aprimorados para ânodos, cátodos e eletrólitos em baterias. Os cientistas estudam os processos em baterias recarregáveis ​​porque eles não revertem completamente quando a bateria é carregada e descarregada. Com o tempo, a falta de uma reversão completa pode alterar a química e a estrutura dos materiais da bateria, o que pode reduzir o desempenho e a segurança da bateria.

Fatos sobre armazenamento de energia elétrica
. O Prémio Nobel de Química de 2019 foi atribuído conjuntamente a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino “pelo desenvolvimento de baterias de iões de lítio”.
. O Electrolyte Genome no JCESR produziu um banco de dados computacional com mais de 26.000 moléculas que podem ser usadas para calcular as principais propriedades do eletrólito para baterias novas e avançadas.

Escritório de Ciência e Armazenamento de Energia Elétrica do DOE
A pesquisa apoiada pelo DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) produziu melhorias significativas no armazenamento de energia elétrica. Mas ainda estamos longe de soluções abrangentes para armazenamento de energia de próxima geração usando materiais totalmente novos que podem melhorar drasticamente a quantidade de energia que uma bateria pode armazenar. Esse armazenamento é fundamental para a integração de fontes de energia renováveis ​​em nosso suprimento de eletricidade. Como o aprimoramento da tecnologia de bateria é essencial para o uso generalizado de veículos elétricos plug-in, o armazenamento também é fundamental para reduzir nossa dependência do petróleo para transporte.

O BES apoia a investigação de cientistas individuais e em centros multidisciplinares. O maior centro é o Joint Center for Energy Storage Research (JCESR), um Centro de Inovação Energética DOE. Este centro estuda materiais eletroquímicos e fenômenos em escala atômica e molecular e usa computadores para ajudar a projetar novos materiais. Este novo conhecimento permitirá aos cientistas projetar um armazenamento de energia que seja mais seguro, dure mais, carregue mais rápido e tenha maior capacidade. Conforme os cientistas apoiados pelo programa BES alcançam novos avanços na ciência das baterias, esses avanços são usados ​​por pesquisadores aplicados e pela indústria para desenvolver aplicações em transporte, rede elétrica, comunicação e segurança.