Repensar o armazenamento de energia
Rumo a um futuro sustentável com baterias de iões de oxigénio
Alexander Opitz, Professor de Conversão Eletroquímica de Energia na Universidade de Tecnologia de Viena, está a investigar a forma como as baterias de iões de oxigénio podem ser utilizadas como dispositivos inovadores de armazenamento de energia, no âmbito de um projeto do Laboratório Christian Doppler.
O desafio das energias renováveis reside no facto de a sua disponibilidade depender fortemente da hora do dia ou das condições meteorológicas. A eletricidade é produzida quando o sol brilha ou o vento sopra. No entanto, se a eletricidade não for diretamente necessária nessa altura, não é utilizada ou, na melhor das hipóteses, é armazenada. No entanto, as flutuações causadas pelos picos de produção ou de utilização também colocam repetidamente desafios aos produtores de eletricidade e aos operadores da rede.
Como parte do Laboratório Christian Doppler (CD) para Baterias de Iões de Oxigénio, uma equipa interdisciplinar liderada por Alexander Opitz (Universidade de Tecnologia de Viena) está agora a trabalhar em conjunto com a empresa de energia VERBUND em soluções de armazenamento inovadoras. As baterias de iões de oxigénio caracterizam-se por uma produção com economia de recursos, baixos custos de produção e um elevado nível de segurança de aplicação. O Laboratório CD, financiado pelo Ministério Federal da Economia, da Energia e do Turismo, foi oficialmente inaugurado em 22 de abril de 2025.
O Ministro da Economia, Wolfgang Hattmannsdorfer, sublinha a relevância da investigação: "Os desafios do futuro só podem ser superados com novos conhecimentos e novas ideias. Os sistemas inovadores de armazenamento de eletricidade desempenham um papel central neste contexto. O Laboratório CD está a dar um importante contributo para isso com a sua investigação básica sobre baterias de iões de oxigénio seguras e economizadoras de recursos. Isto não só reforça o nosso abastecimento de energia, mas também a Áustria como centro de ciência. É particularmente importante que nos concentremos nos pontos fortes da Áustria - diligência, inventividade e um elevado nível de conhecimentos científicos. Desejo a Alexander Opitz e à sua equipa o maior sucesso nesta importante tarefa".
Uma película fina de cerâmica com a forma do logótipo da TU Wien impressa por jato de tinta num cristal único de eletrólito de óxido. A impressão a jato de tinta é um dos métodos investigados neste laboratório de CD para a produção rentável e em escala de películas finas de cerâmica para baterias de iões de oxigénio.
© TUW/Matthias Heisler
A cerâmica como fator de mudança
Ao contrário das baterias convencionais, as baterias de iões de oxigénio não requerem os elementos críticos lítio ou cobalto. Em vez disso, são utilizados materiais cerâmicos abundantes, o que reduz as dependências geopolíticas. Além disso, as baterias de iões de oxigénio não são inflamáveis nem tóxicas. A inflamabilidade dos tipos de baterias atualmente disponíveis (como as baterias de sódio-enxofre ou de iões de lítio) é um ponto particularmente problemático para os sistemas de armazenamento em grande escala. Enquanto as baterias de lítio foram especificamente desenvolvidas para utilização móvel e têm de cumprir os requisitos correspondentes, como o baixo peso, os sistemas de armazenamento para utilização estacionária podem ser desligados destes requisitos. Isto é particularmente relevante para fornecedores de energia como a VERBUND, que fornecem uma grande parte da sua energia a partir de fontes renováveis e pretendem utilizar baterias estacionárias de grande escala para transferir energia eléctrica de períodos de elevada produção para períodos de elevada procura.
A ideia de utilizar materiais cerâmicos para baterias surgiu por acaso, recorda Alexander Opitz, diretor do laboratório CD: "Só quando mudámos a nossa perspetiva sobre o material que estávamos a investigar para aplicações em células de combustível e de eletrólise é que nos apercebemos de que, em determinadas condições, as nossas cerâmicas podem ter uma capacidade semelhante à dos materiais convencionais das baterias de iões de lítio. Por outras palavras, podem armazenar uma quantidade de energia semelhante".
Transporte de carga através de iões de oxigénio
As baterias de iões de oxigénio funcionam através do preenchimento de espaços vazios no material do elétrodo de armazenamento com iões de oxigénio. No entanto, o oxigénio não é trocado com a atmosfera, mas é deslocado para trás e para a frente entre os dois eléctrodos de armazenamento da célula sob a forma de iões de óxido.
Para que a nova tecnologia funcione, tem de ser isolada do ar ambiente e funcionar a temperaturas de 300 a 500 °C. Esta temperatura é necessária para que os iões de oxigénio possam armazenar energia. Esta temperatura é necessária para que os iões de oxigénio nos materiais cerâmicos utilizados sejam suficientemente móveis e possam deslocar-se de um elétrodo para o outro. Se estas condições forem satisfeitas, todo o processo é completamente reversível - por outras palavras, os iões de oxigénio que foram movidos do elétrodo negativo para o positivo quando a pilha foi carregada podem voltar a mover-se quando esta é descarregada. Este processo pode, teoricamente, ser repetido tantas vezes quantas as necessárias.
Para ser utilizada como uma bateria de armazenamento estacionária, que transfere os picos de produção do meio-dia da energia fotovoltaica para as horas da noite, por exemplo, esta "migração para trás e para a frente" de iões de oxigénio entre os dois eléctrodos de armazenamento da célula teria de ocorrer uma vez por dia.
Michael Strugl, CEO da VERBUND, acrescenta: "A transformação energética é um dos maiores desafios do nosso tempo. Exige não só novas tecnologias, mas sobretudo uma investigação contínua e intensiva. Ao colaborar com a comunidade científica, por exemplo, como parte do Laboratório Christian Doppler, podemos ajudar inovações como a bateria de iões de oxigénio a tornarem-se comercializáveis mais rapidamente e, assim, contribuir para resolver o problema do armazenamento de energia."
Se a energia não puder ser armazenada, a produção das centrais eléctricas tem de ser deliberadamente reduzida para não sobrecarregar as redes de eletricidade. Isto resulta na perda de energia valiosa que seria urgentemente necessária mais tarde. Por isso, novos tipos de armazenamento de eletricidade são de grande importância para a expansão das energias renováveis.
A motivação da TU Wien e da VERBUND é, portanto, grande para criar a base científica para o desenvolvimento de baterias de iões de oxigénio como uma alternativa poderosa às tecnologias de baterias existentes, que seja fácil de fabricar e de escalar. Para além dos sistemas de armazenamento em grande escala para os produtores de eletricidade e para os próprios operadores da rede, a sua utilização em sistemas de armazenamento doméstico também seria concebível.
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