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Bateria de íon de sódio

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Baterias de íon de sódio (NIBs ou BISs) são vários tipos de baterias recarregáveis, que utilizam íons de sódio (Na+) como seus portadores de carga. Em alguns casos, o seu princípio de funcionamento e a construção da célula são semelhantes aos das baterias de iões de lítio (LIB), mas substitui o lítio pelo sódio como material catódico, que pertence ao mesmo grupo na tabela periódica que o lítio e, portanto, tem propriedades químicas semelhantes. Em outros casos, as baterias aquosas de íons de Na são bastante diferentes das baterias de íons de lítio.

As BISs receberam interesse acadêmico e comercial nas décadas de 2010 e 2020, em grande parte devido à distribuição geográfica desigual, ao alto impacto ambiental e ao alto custo de muitos dos materiais necessários para as baterias de íons de lítio. Uma vantagem óbvia do sódio é a sua abundância natural,[1] particularmente em água salgada.

Não menos importante é o fato de que o cobalto, o cobre e o níquel não são necessários para muitos tipos de baterias de iões de sódio, e os materiais mais abundantes à base de ferro funcionam bem em baterias de Na+, embora não sejam adequados para baterias de Li+.[2] Essa diferença se deve ao maior raio iônico do Na+ em comparação ao Li+, o que impede a troca de lugar entre o metal alcalino e os íons do metal de transição.[3]

Ao mesmo tempo, o maior raio iônico do Na+ resulta em um movimento mais lento desse íon dentro das redes cristalinas. Por exemplo, a troca de Na+ em NaFeSO4F é muito mais lenta do que a de Li+ em LiFeSO4F, embora ambos os cristais tenham a mesma estrutura tavorita.[3] Outros desafios à adoção de CIS incluem a menor densidade energética e o ciclo de vida curto.[4]

O desenvolvimento da bateria de íon de sódio ocorreu na década de 1970 e no início da década de 1980. No entanto, na década de 1990, as baterias de íon de lítio demonstraram ser mais promissoras comercialmente, fazendo com que o interesse pelas baterias de íon de sódio diminuísse.[5][6] No início da década de 2010, as baterias de íon de sódio ressurgiram, impulsionadas em grande parte pelo custo crescente das matérias-primas para baterias de íon de lítio.[5]

Princípio de funcionamento

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As células BIS consistem em um cátodo baseado em um material à base de sódio, um ânodo (não necessariamente um material à base de sódio) e um eletrólito líquido contendo sais de sódio dissociados em solventes polares próticos ou apróticos. Durante o carregamento, os íons de sódio se movem do cátodo para o ânodo enquanto os elétrons viajam através do circuito externo. Durante a descarga, ocorre o processo inverso.

As baterias de íon de sódio têm várias vantagens sobre as tecnologias de bateria concorrentes. Em comparação com as baterias de íon-lítio, as baterias de íon-sódio têm um custo um pouco mais baixo, melhores características de segurança e características de fornecimento de energia semelhantes, mas também uma densidade de energia mais baixa.

A tabelas abaixo compara o desempenho geral dos NIBs em relação às duas tecnologias de baterias recarregáveis estabelecidas no mercado atualmente: a bateria de íons de lítio e a bateria recarregável de chumbo-ácido.[7][8]

Comparação de bateria
Bateria de íon de sódio Bateria de íon de lítio Bateria de chumbo ácido
Custo por quilowatt-hora de capacidade US$ 40–77 (teórico em 2019) [2] $ 137 (média em 2020).[9] US$ 100–300[10]
Densidade de energia volumétrica 250–375 W·h/L, baseado em protótipos[11] 200–683 W·h/L[12] 80–90 W·h/L[13]
Densidade de energia gravimétrica (energia específica) 75–200 W·h/kg, com base em protótipos e anúncios de produtos[11][14][15] 120–260 W·h/kg (sem necessidade de caixa protetora para bateria no veículo) [12] 35–40 Wh/kg[13]
Ciclos a 80% da profundidade de descarga Centenas a milhares.[16] 3.500[10] 900[10]
Segurança Baixo risco para baterias aquosas, alto risco para Na em baterias de carbono Alto risco Risco moderado
Materiais Terra abundante Escasso Tóxico
Estabilidade no ciclo Alto (autodescarga insignificante) Alto (autodescarga insignificante) Moderado (alta autodescarga )
Eficiência de ida e volta em corrente contínua até 92% [16] 85–95% [17] 70–90% [18]
Faixa de temperatura −20 °C a 60 °C [16] Aceitável: −20 °C a 60 °C.

Ideal: 15 °C a 35 °C [19]

−20 °C a 60 °C [20]

Comercialização

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Empresas em todo o mundo têm trabalhado para desenvolver baterias de íon de sódio comercialmente viáveis. Uma bateria de rede de 5 MW/10 MWh de 2 horas foi instalada na China em 2023.[21]

Referências

  1. Abraham, K. M. (2020). «How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?». ACS Energy Letters. 5 (11): 3544–3547. doi:10.1021/acsenergylett.0c02181Acessível livremente 
  2. a b Peters, Jens F.; Peña Cruz, Alexandra; Weil, Marcel (2019). «Exploring the Economic Potential of Sodium-Ion Batteries». Batteries (em inglês). 5 (1). 10 páginas. doi:10.3390/batteries5010010Acessível livremente 
  3. a b Sodium and sodium-ion energy storage batteries. 2012. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 16/4, 168-77. B.L. Ellis, L.F. Nazar. doi: 10.1016/j.cossms.2012.04.002.
  4. Marc Walter; Maksym V. Kovalenko; Kostiantyn V. Kravchyk (2020). «Challenges and benefits of post-lithium-ion batteries». New Journal of Chemistry. 44 (5). 1678 páginas. doi:10.1039/C9NJ05682CAcessível livremente 
  5. a b Sun, Yang-Kook; Myung, Seung-Taek; Hwang, Jang-Yeon (19 de junho de 2017). «Sodium-ion batteries: present and future». Chemical Society Reviews. 46 (12): 3529–3614. ISSN 1460-4744. PMID 28349134. doi:10.1039/C6CS00776GAcessível livremente 
  6. Yabuuchi, Naoaki; Kubota, Kei; Dahbi, Mouad; Komaba, Shinichi (10 de dezembro de 2014). «Research Development on Sodium-Ion Batteries». Chemical Reviews. 114 (23): 11636–11682. ISSN 0009-2665. PMID 25390643. doi:10.1021/cr500192f 
  7. Bauer, Alexander; Song, Jie; Vail, Sean; Pan, Wei; Barker, Jerry; Lu, Yuhao (2018). «The Scale-up and Commercialization of Nonaqueous Na-Ion Battery Technologies». Advanced Energy Materials. 8 (17). 1702869 páginas. ISSN 1614-6840. doi:10.1002/aenm.201702869Acessível livremente 
  8. Yang, Zhenguo; Zhang, Jianlu; Kintner-Meyer, Michael C. W.; Lu, Xiaochuan; Choi, Daiwon; Lemmon, John P.; Liu, Jun (11 de maio de 2011). «Electrochemical Energy Storage for Green Grid». Chemical Reviews. 111 (5): 3577–3613. ISSN 0009-2665. PMID 21375330. doi:10.1021/cr100290v 
  9. «Battery Pack Prices Cited Below $100/kWh for the First Time in 2020, While Market Average Sits at $137/kWh». Bloomberg NEF. 16 de dezembro de 2020. Consultado em 15 de março de 2021 
  10. a b c Energy Storage Technology and Cost Characterization Report (PDF) (pdf). U.S. Department Of Energy. Julho de 2019. p. iix 
  11. a b Abraham, K. M. (23 de outubro de 2020). «How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?». American Chemical Society. ACS Energy Letters (pdf). 5 (11): 3546. doi:10.1021/acsenergylett.0c02181Acessível livremente 
  12. a b Automotive Li-Ion Batteries: Current Status and Future Perspectives (Relatório). U.S. Department Of Energy. 1 de janeiro de 2019. p. 26 
  13. a b May, Geoffrey J.; Davidson, Alistair; Monahov, Boris (1 de fevereiro de 2018). «Lead batteries for utility energy storage: A review». Journal of Energy Storage (em inglês). 15: 145–157. ISSN 2352-152X. doi:10.1016/j.est.2017.11.008Acessível livremente 
  14. «CATL Unveils Its Latest Breakthrough Technology by Releasing Its First Generation of Sodium-ion Batteries». www.catl.com. Consultado em 24 de abril de 2023 
  15. «CATL to begin mass production of sodium-ion batteries next year». 29 de outubro de 2022 
  16. a b c «Performance». Faradion Limited. Consultado em 17 de março de 2021 
  17. Lithium Ion Battery Test - Public Report 5 (PDF) (pdf). ITP Renewables. Setembro de 2018. p. 13 
  18. Akinyele, Daniel; Belikov, Juri; Levron, Yoash (novembro de 2017). «"Battery Storage Technologies for Electrical Applications: Impact in Stand-Alone Photovoltaic Systems"». mdpi.com. Energies (pdf). 10 (11): 13. doi:10.3390/en10111760Acessível livremente. Consultado em 17 de março de 2021 
  19. Ma, Shuai (dezembro de 2018). «"Temperature effect and thermal impact in lithium-ion batteries: A review"». Progress in Natural Science: Materials International (pdf). 28 (6): 653–666. doi:10.1016/j.pnsc.2018.11.002Acessível livremente 
  20. Hutchinson, Ronda (junho de 2004). «Temperature effects on sealed lead acid batteries and charging techniques to prolong cycle life» (PDF). Sandia National Labs (pdf): SAND2004–3149, 975252. doi:10.2172/975252. Consultado em 17 de março de 2021 
  21. Murray, Cameron (3 de agosto de 2023). «'World-first' grid-scale sodium-ion battery project in China enters commercial operation». Energy-Storage.News