Bateria de iões de flúor - um potencial concorrente para a próxima geração de baterias
Índice
O desenvolvimento de bateria de iões de flúor está a receber uma atenção crescente como potencial concorrente para as baterias da próxima geração. Instituições como a Toyota e a Honda no Japão, o Instituto de Investigação Helmholtz-Ulm na Alemanha, o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA e algumas universidades na China iniciaram investigação neste domínio.
A investigação e o desenvolvimento da bateria de iões de flúor ainda se encontram numa fase extremamente precoce, sendo ainda necessário ultrapassar muitos problemas para entrar na aplicação. No entanto, a bateria de iões de flúor tem um grande potencial e pode substituir a bateria de iões de lítio como a principal bateria no futuro, especialmente a bateria de iões de flúor de estado sólido à temperatura ambiente, que pode substituir a bateria de iões de lítio em indústria das pilhas de lítio quando a tecnologia estiver madura.
Quatro vantagens da bateria de iões de flúor
Entre as muitas direcções das baterias da próxima geração, a bateria de iões de flúor tem atraído muita atenção devido a uma série de avanços na investigação nos últimos anos. O seu princípio de funcionamento é semelhante ao da bateria de iões de lítio, que é amplamente utilizada hoje em dia, ou seja, o ião de flúor é utilizado para armazenar energia através do vaivém entre eléctrodos positivos e negativos. Os especialistas acreditam que a bateria de iões de flúor tem vantagens significativas sobre a bateria de iões de lítio em quatro aspectos: densidade energética, segurança, fornecimento de matérias-primas e custo.
A procura de uma maior densidade energética é um objetivo importante na investigação e desenvolvimento de baterias recarregáveis, porque significa uma maior capacidade de armazenamento de energia. A informação mostra que a densidade energética teórica de uma bateria de iões de flúor de estado sólido pode aproximar-se dos 5.000 watts-hora por litro, o que representa oito vezes o limite teórico da bateria de iões de lítio.
O professor da Universidade de Ciência e Tecnologia da China introduziu que a bateria de iões de flúor utiliza fluoreto de cobre, fluoreto de cálcio e outros compostos como materiais de elétrodo, e a sua massa específica de material ativo de elétrodo pode fornecer várias vezes a quantidade de carga do que a bateria de iões de lítio, pelo que a densidade de energia é muito superior à da bateria de iões de lítio.
Em termos de segurança, o crescimento dos dendritos de lítio é uma das principais razões que afectam a segurança das baterias de iões de lítio, enquanto os iões de flúor são extremamente difíceis de oxidar em monómeros de flúor, o que pode evitar problemas semelhantes aos do crescimento dos dendritos de lítio. Em termos de matérias-primas, a abundância crustal de flúor é muito superior à do lítio, e a atual produção anual global de flúor é cerca de duas ordens de grandeza superior à do lítio. Além disso, a extração de lítio requer grandes quantidades de água, em comparação com o impacto ambiental muito menor da extração de flúor.
Em termos de custo, as informações mostram que a matéria-prima cobalto normalmente utilizada nas baterias de lítio é cara, enquanto a bateria de iões de flúor, para além da prata, outros ânodos e materiais catódicos custar menos, teoricamente o custo da bateria de iões de flúor por watt-hora é apenas 20% a 25% da bateria de iões de lítio.
Três vias para o desenvolvimento de baterias de iões de flúor
Já na década de 1970, os cientistas começaram a estudar a bateria de iões de flúor, mas não se registaram progressos substanciais. Em 2011, os cientistas alemães assumiram a liderança no desenvolvimento da bateria de iões de flúor totalmente sólida, utilizando fluoreto de bário e lantânio como eletrólito, e a investigação e o desenvolvimento da bateria de iões de flúor só ganharam mais atenção.
Atualmente, as principais vias técnicas de desenvolvimento das baterias de iões de flúor incluem a bateria de iões de flúor líquido à temperatura ambiente, a bateria de iões de flúor totalmente sólida a alta temperatura e a bateria de iões de flúor totalmente sólida à temperatura ambiente. Entre elas, a bateria de iões de flúor líquido à temperatura ambiente utiliza como eletrólito uma solução orgânica inflamável e contendo flúor, que apresenta riscos para a segurança e o ambiente; enquanto a bateria de iões de flúor totalmente sólida a alta temperatura tem de funcionar a alta temperatura e só pode ser aplicada no armazenamento de energia ou noutros cenários específicos.
A bateria de iões de flúor totalmente em estado sólido à temperatura ambiente é considerada a via mais valiosa entre as três vias tecnológicas. Em teoria, a bateria de iões de flúor totalmente em estado sólido à temperatura ambiente pode ser utilizada em todos os cenários de aplicação das actuais baterias de iões de lítio e é provável que substitua totalmente as baterias de iões de lítio quando a tecnologia estiver madura.
Em dezembro de 2018, o Instituto de Investigação Honda do Japão, o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, a Caltech e outras instituições colaboraram para publicar um artigo na revista americana Science, afirmando que a equipa preparou pela primeira vez uma bateria de iões de flúor com um eletrólito líquido que pode ser carregado e descarregado de forma reversível à temperatura ambiente.
Em 2020, a Universidade de Quioto e a Toyota anunciaram o sucesso de um protótipo de uma bateria de iões de flúor totalmente em estado sólido, e os meios de comunicação japoneses noticiaram na altura que a bateria de iões de flúor poderia proporcionar uma autonomia maior do que uma bateria de iões de lítio com o mesmo tamanho ou peso, e que uma autonomia de 1.000 quilómetros com uma única carga estaria ao alcance do futuro.
O grupo do Prof. Ma Cheng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China está empenhado na investigação de baterias de iões de flúor de estado sólido à temperatura ambiente. em novembro de 2021, o grupo publicou um artigo na revista alemã "Smole" anunciando o design e a síntese de um novo eletrólito de estado sólido de íon flúor, que atinge um ciclo longo estável de bateria de íon flúor de estado sólido à temperatura ambiente pela primeira vez na arena internacional. a 25 graus Celsius Após 4581 horas de carga e descarga contínuas a 25 graus Celsius, não ocorreu degradação significativa da capacidade da bateria. Anteriormente, o número de ciclos de carga/descarga de uma bateria de iões de flúor de estado sólido à temperatura ambiente, referido na literatura, não excedia os 20, o que era geralmente considerado como uma via técnica inatingível.
Perspectivas e desafios do desenvolvimento de baterias de iões de flúor
Para que os carros eléctricos durem mais de 1000 km com uma única carga, as baterias de iões de lítio também são possíveis, mas se quisermos que os grandes camiões, navios, aviões e outros veículos de alta potência atinjam uma autonomia satisfatória através de baterias, temos de encontrar uma tecnologia de armazenamento de energia com uma densidade energética muito superior à das baterias de iões de lítio, e a bateria de iões de flúor é uma direção promissora para este tipo de tecnologia.
O desenvolvimento da bateria de iões de flúor encontra-se ainda numa fase extremamente precoce. Os investigadores ainda estão à procura de sistemas de materiais adequados e ainda não apareceram sistemas com valores práticos e comerciais. A bateria de iões de flúor ainda enfrenta muitos desafios na fase de investigação básica, incluindo o facto de os investigadores ainda não terem encontrado materiais de cátodo e ânodo com um desempenho de ciclo suficientemente excelente e electrólitos com valor comercial e desempenho excelente.
Para que a tecnologia das baterias de iões de flúor mostre o seu valor de aplicação o mais rapidamente possível, é ainda necessário aumentar o investimento em investigação de base e resolver uma série de problemas relacionados com a investigação de base, tais como materiais de eléctrodos e materiais electrolíticos.
Bateria de iões de flúor - um potencial concorrente para a próxima geração de baterias
O desenvolvimento de bateria de iões de flúor está a receber uma atenção crescente como potencial concorrente para as baterias da próxima geração. Instituições como a Toyota e a Honda no Japão, o Instituto de Investigação Helmholtz-Ulm na Alemanha, o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA e algumas universidades na China iniciaram investigação neste domínio.
A investigação e o desenvolvimento da bateria de iões de flúor ainda se encontram numa fase extremamente precoce, sendo ainda necessário ultrapassar muitos problemas para entrar na aplicação. No entanto, a bateria de iões de flúor tem um grande potencial e pode substituir a bateria de iões de lítio como a principal bateria no futuro, especialmente a bateria de iões de flúor de estado sólido à temperatura ambiente, que pode substituir a bateria de iões de lítio em indústria das pilhas de lítio quando a tecnologia estiver madura.
Quatro vantagens da bateria de iões de flúor
Entre as muitas direcções das baterias da próxima geração, a bateria de iões de flúor tem atraído muita atenção devido a uma série de avanços na investigação nos últimos anos. O seu princípio de funcionamento é semelhante ao da bateria de iões de lítio, que é amplamente utilizada hoje em dia, ou seja, o ião de flúor é utilizado para armazenar energia através do vaivém entre eléctrodos positivos e negativos. Os especialistas acreditam que a bateria de iões de flúor tem vantagens significativas sobre a bateria de iões de lítio em quatro aspectos: densidade energética, segurança, fornecimento de matérias-primas e custo.
A procura de uma maior densidade energética é um objetivo importante na investigação e desenvolvimento de baterias recarregáveis, porque significa uma maior capacidade de armazenamento de energia. A informação mostra que a densidade energética teórica de uma bateria de iões de flúor de estado sólido pode aproximar-se dos 5.000 watts-hora por litro, o que representa oito vezes o limite teórico da bateria de iões de lítio.
O professor da Universidade de Ciência e Tecnologia da China introduziu que a bateria de iões de flúor utiliza fluoreto de cobre, fluoreto de cálcio e outros compostos como materiais de elétrodo, e a sua massa específica de material ativo de elétrodo pode fornecer várias vezes a quantidade de carga do que a bateria de iões de lítio, pelo que a densidade de energia é muito superior à da bateria de iões de lítio.
Em termos de segurança, o crescimento dos dendritos de lítio é uma das principais razões que afectam a segurança das baterias de iões de lítio, enquanto os iões de flúor são extremamente difíceis de oxidar em monómeros de flúor, o que pode evitar problemas semelhantes aos do crescimento dos dendritos de lítio. Em termos de matérias-primas, a abundância crustal de flúor é muito superior à do lítio, e a atual produção anual global de flúor é cerca de duas ordens de grandeza superior à do lítio. Além disso, a extração de lítio requer grandes quantidades de água, em comparação com o impacto ambiental muito menor da extração de flúor.
Em termos de custo, as informações mostram que a matéria-prima cobalto normalmente utilizada nas baterias de lítio é cara, enquanto a bateria de iões de flúor, para além da prata, outros ânodos e materiais catódicos custar menos, teoricamente o custo da bateria de iões de flúor por watt-hora é apenas 20% a 25% da bateria de iões de lítio.
Três vias para o desenvolvimento de baterias de iões de flúor
Já na década de 1970, os cientistas começaram a estudar a bateria de iões de flúor, mas não se registaram progressos substanciais. Em 2011, os cientistas alemães assumiram a liderança no desenvolvimento da bateria de iões de flúor totalmente sólida, utilizando fluoreto de bário e lantânio como eletrólito, e a investigação e o desenvolvimento da bateria de iões de flúor só ganharam mais atenção.
Atualmente, as principais vias técnicas de desenvolvimento das baterias de iões de flúor incluem a bateria de iões de flúor líquido à temperatura ambiente, a bateria de iões de flúor totalmente sólida a alta temperatura e a bateria de iões de flúor totalmente sólida à temperatura ambiente. Entre elas, a bateria de iões de flúor líquido à temperatura ambiente utiliza como eletrólito uma solução orgânica inflamável e contendo flúor, que apresenta riscos para a segurança e o ambiente; enquanto a bateria de iões de flúor totalmente sólida a alta temperatura tem de funcionar a alta temperatura e só pode ser aplicada no armazenamento de energia ou noutros cenários específicos.
A bateria de iões de flúor totalmente em estado sólido à temperatura ambiente é considerada a via mais valiosa entre as três vias tecnológicas. Em teoria, a bateria de iões de flúor totalmente em estado sólido à temperatura ambiente pode ser utilizada em todos os cenários de aplicação das actuais baterias de iões de lítio e é provável que substitua totalmente as baterias de iões de lítio quando a tecnologia estiver madura.
Em dezembro de 2018, o Instituto de Investigação Honda do Japão, o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, a Caltech e outras instituições colaboraram para publicar um artigo na revista americana Science, afirmando que a equipa preparou pela primeira vez uma bateria de iões de flúor com um eletrólito líquido que pode ser carregado e descarregado de forma reversível à temperatura ambiente.
Em 2020, a Universidade de Quioto e a Toyota anunciaram o sucesso de um protótipo de uma bateria de iões de flúor totalmente em estado sólido, e os meios de comunicação japoneses noticiaram na altura que a bateria de iões de flúor poderia proporcionar uma autonomia maior do que uma bateria de iões de lítio com o mesmo tamanho ou peso, e que uma autonomia de 1.000 quilómetros com uma única carga estaria ao alcance do futuro.
O grupo do Prof. Ma Cheng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China está empenhado na investigação de baterias de iões de flúor de estado sólido à temperatura ambiente. em novembro de 2021, o grupo publicou um artigo na revista alemã "Smole" anunciando o design e a síntese de um novo eletrólito de estado sólido de íon flúor, que atinge um ciclo longo estável de bateria de íon flúor de estado sólido à temperatura ambiente pela primeira vez na arena internacional. a 25 graus Celsius Após 4581 horas de carga e descarga contínuas a 25 graus Celsius, não ocorreu degradação significativa da capacidade da bateria. Anteriormente, o número de ciclos de carga/descarga de uma bateria de iões de flúor de estado sólido à temperatura ambiente, referido na literatura, não excedia os 20, o que era geralmente considerado como uma via técnica inatingível.
Perspectivas e desafios do desenvolvimento de baterias de iões de flúor
Para que os carros eléctricos durem mais de 1000 km com uma única carga, as baterias de iões de lítio também são possíveis, mas se quisermos que os grandes camiões, navios, aviões e outros veículos de alta potência atinjam uma autonomia satisfatória através de baterias, temos de encontrar uma tecnologia de armazenamento de energia com uma densidade energética muito superior à das baterias de iões de lítio, e a bateria de iões de flúor é uma direção promissora para este tipo de tecnologia.
O desenvolvimento da bateria de iões de flúor encontra-se ainda numa fase extremamente precoce. Os investigadores ainda estão à procura de sistemas de materiais adequados e ainda não apareceram sistemas com valores práticos e comerciais. A bateria de iões de flúor ainda enfrenta muitos desafios na fase de investigação básica, incluindo o facto de os investigadores ainda não terem encontrado materiais de cátodo e ânodo com um desempenho de ciclo suficientemente excelente e electrólitos com valor comercial e desempenho excelente.
Para que a tecnologia das baterias de iões de flúor mostre o seu valor de aplicação o mais rapidamente possível, é ainda necessário aumentar o investimento em investigação de base e resolver uma série de problemas relacionados com a investigação de base, tais como materiais de eléctrodos e materiais electrolíticos.