Baterias sustentáveis fabricadas a partir de subprodutos da indústria da madeira
A bateria da Floresta da Turíngia
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Tendo em conta a procura crescente de armazenamento de energia para a transição energética, há uma necessidade urgente de tecnologias de baterias rentáveis, seguras e eficientes em termos de recursos. As baterias de iões de sódio baseadas em materiais disponíveis localmente e amigos do ambiente oferecem uma abordagem promissora. Os investigadores do Fraunhofer e os seus parceiros de projeto estão a trabalhar num sistema de bateria de iões de sódio baseado em lenhina, um subproduto da indústria da madeira e da pasta de papel.
A lenhina, um biopolímero, é um componente essencial da madeira, conferindo-lhe estabilidade. Como subproduto da indústria do papel, é normalmente queimada para gerar energia. Investigadores do Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS e da Friedrich-Schiller-University Jena - ambos parceiros do Center for Energy and Environmental Chemistry Jena (CEEC) - tiveram uma ideia melhor: no projeto ThüNaBsE (Thuringia Sodium-Ion Battery for Scalable Energy Storage), financiado pelo Estado Livre da Turíngia e pelo Fundo Social Europeu, os investigadores estão a desenvolver e a avaliar um novo tipo de bateria de iões de sódio baseada em lenhina - desde as matérias-primas até uma célula completa de 1 Ah. O projeto visa apoiar uma maior independência em relação a matérias-primas críticas, promovendo simultaneamente a transição para baterias mais baratas, mais sustentáveis e seguras. Está a ser apoiado por um conselho consultivo industrial constituído principalmente por empresas regionais, incluindo as empresas Mercer Rosenthal GmbH, Glatt Ingenieurtechnik GmbH, IBU-tec advanced materials AG e EAS Batteries GmbH, sediadas na Turíngia, bem como a Petrochemical Holding GmbH, sediada em Viena. Outro objetivo do projeto é apoiar os jovens investigadores da Turíngia. É por isso que vários investigadores em ascensão, que estão atualmente a concluir os seus doutoramentos nos domínios da energia e da investigação de baterias, estão envolvidos no projeto ThüNaBsE.
Lignina: Transformar um subproduto num produto reciclável
A lenhina consiste principalmente em blocos de construção de hidrocarbonetos, que podem ser utilizados para uma variedade de aplicações químicas, incluindo material de eléctrodos para baterias. No projeto, a matéria-prima de base biológica deverá ser utilizada para o elétrodo negativo. "Queremos evitar metais críticos como o lítio, o cobalto e o níquel na cadeia de valor das baterias. Também pretendemos minimizar o teor de flúor nos eléctrodos e electrólitos e estamos a testar até que ponto o podemos eliminar. No entanto, o projeto centra-se principalmente na transformação da lenhina de alta qualidade disponível localmente em eléctrodos de alto desempenho para as nossas baterias de iões de sódio", afirma Lukas Medenbach, investigador do Fraunhofer IKTS em Arnstadt, a porta de entrada para a Floresta da Turíngia.
A lenhina utilizada no projeto é fornecida pela Mercer Rosenthal GmbH. Sob condições inertes, é convertida termicamente em carbono, que é depois transformado em eléctrodos. "Os nossos parceiros de projeto do Instituto de Química Técnica e Química Ambiental da Universidade Friedrich-Schiller, liderados pelo Prof. Martin Oschatz, utilizam processos térmicos para transformar a lenhina naquilo a que chamamos carbono duro. A estrutura deste carbono duro é muito adequada para o armazenamento reversível de iões de sódio. O carbono duro apresenta um elevado desempenho eletroquímico, boa estabilidade de ciclo e baixos custos de aquisição, especialmente se for obtido a partir de matérias-primas sustentáveis", explica Cornelius Dirksen, colega de Medenbach. Os análogos do azul da Prússia, compostos de ferro não tóxicos, devem ser utilizados como material para o elétrodo positivo. Utilizada pela primeira vez como pigmento há cerca de 200 anos, esta substância caracteriza-se por uma boa disponibilidade de matérias-primas, compatibilidade ambiental e propriedades de armazenamento de iões de sódio.
As primeiras pequenas células de demonstração estão atualmente a ser construídas e testadas no centro de testes de baterias Fraunhofer IKTS em Arnstadt, no Fraunhofer IKTS em Hermsdorf e na Universidade Friedrich Schiller em Jena. Simulações realistas e multi-físicas complementam o trabalho de laboratório. Os resultados são prometedores: "Após 100 ciclos de carga e descarga, a célula de laboratório não apresenta uma degradação significativa. O objetivo é demonstrar 200 ciclos de carga e descarga para a célula completa de 1 Ah até ao final do projeto", diz Medenbach.
Uma vez totalmente desenvolvida, a bateria poderá ser utilizada em aplicações de armazenamento fixas ou móveis, em que não seja necessário um carregamento rápido. As baterias de iões de sódio à base de lenhina são adequadas para aplicações móveis com menores necessidades de energia, incluindo, por exemplo, microcarros (limite de velocidade de 45 km/h) ou veículos de logística de armazém, como empilhadores. Uma vez concluído o projeto, os parceiros do projeto tencionam aumentar a escala da tecnologia e avançar para os próximos níveis de maturidade tecnológica com a ajuda de um consórcio ainda maior.
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