Célula eletroquímica metal-ar - Metal–air electrochemical cell
Uma célula eletroquímica metal-ar é uma célula eletroquímica que usa um ânodo feito de metal puro e um cátodo externo de ar ambiente, normalmente com um eletrólito aquoso ou aprótico . Durante a descarga de uma célula eletroquímica metal-ar, ocorre uma reação de redução no cátodo do ar ambiente enquanto o ânodo metálico é oxidado . A capacidade específica e a densidade de energia das células eletroquímicas de metal-ar são maiores do que as das baterias de íon-lítio , tornando-as as principais candidatas para uso em veículos elétricos . No entanto, complicações associadas aos ânodos de metal, catalisadores e eletrólitos têm impedido o desenvolvimento e a implementação de baterias de metal-ar, embora existam algumas aplicações comerciais.
Tipos
| Bateria metal-ar | Energia teórica específica, Wh / kg (incluindo oxigênio) |
Energia teórica específica, Wh / kg (excluindo oxigênio) |
Tensão de circuito aberto calculada, V |
|---|---|---|---|
| Alumínio-ar | 4300 | 8140 | 1,2 |
| Germânio - ar | 1480 | 7850 | 1 |
| Cálcio-ar | 2990 | 4180 | 3,12 |
| Ferro - ar | 1431 | 2044 | 1,3 |
| Lítio-ar | 5210 | 11140 | 2,91 |
| Magnésio-ar | 2789 | 6462 | 2,93 |
| Potássio-ar | 935 | 1700 | 2,48 |
| Sódio - ar | 1677 | 2260 | 2,3 |
| Silicon-air | 4217 | 9036 | 1,6 |
| Estanho - ar a 1000 K | 860 | 6250 | 0,95 |
| Zinco-ar | 1090 | 1350 | 1,65 |
Lítio-ar
A densidade de energia notavelmente alta do metal de lítio (até 3458 Wh / kg) inspirou o design das baterias de lítio-ar. Uma bateria de lítio-ar consiste em um eletrodo de lítio sólido, um eletrólito em torno deste eletrodo e um eletrodo de ar ambiente contendo oxigênio. As baterias de lítio-ar atuais podem ser divididas em quatro subcategorias com base no eletrólito usado e na arquitetura de célula eletroquímica subsequente. Essas categorias de eletrólitos são aprótica, aquosa , aquosa / aprótica mista e de estado sólido, todas as quais oferecem suas próprias vantagens e desvantagens distintas. No entanto, a eficiência das baterias de lítio-ar ainda é limitada pela descarga incompleta no cátodo, excesso de potencial de carga excedendo o potencial de descarga e estabilidade do componente. Durante a descarga das baterias de lítio-ar, o íon superóxido (O 2 - ) formado reagirá com o eletrólito ou outros componentes da célula e impedirá que a bateria seja recarregada.
Sódio-ar
As baterias de sódio-ar foram propostas com a esperança de superar a instabilidade da bateria associada ao superóxido nas baterias de lítio-ar. O sódio , com uma densidade de energia de 1605 Wh / kg, não possui uma densidade de energia tão alta quanto o lítio. No entanto, pode formar um superóxido estável (NaO 2 ) em oposição ao superóxido que sofre reações secundárias prejudiciais. Uma vez que o NaO 2 se decomporá reversivelmente de volta aos componentes elementares, isso significa que as baterias de sódio-ar têm alguma capacidade intrínseca de serem recarregáveis. As baterias de sódio-ar só funcionam com eletrólitos anidros apróticos. Quando um eletrólito DMSO foi estabilizado com trifluorometanossulfonimida de sódio, a maior estabilidade de ciclo de uma bateria de sódio-ar foi obtida (150 ciclos).
Potássio-ar
As baterias de potássio-ar também foram propostas com a esperança de superar a instabilidade da bateria associada ao superóxido nas baterias de lítio-ar. Embora apenas dois a três ciclos de carga-descarga tenham sido alcançados com baterias de potássio-ar, elas oferecem uma diferença de sobrepotencial excepcionalmente baixa de apenas 50 mV.
Zinco-ar
As baterias de zinco-ar são usadas em aparelhos auditivos e câmeras de filme.
Magnésio-ar
Cálcio-ar
- Baterias de cálcio-ar (O 2 ) foram relatadas.
Alumínio-ar
Ferro-ar
As baterias recarregáveis de ferro-ar são uma tecnologia atraente com o potencial de armazenamento de energia em escala de rede . A principal matéria-prima dessa tecnologia é o óxido de ferro (ferrugem), abundante, atóxico, barato e ecologicamente correto. A maioria das baterias atualmente em desenvolvimento utiliza óxido de ferro (principalmente pós) para gerar / armazenar hidrogênio por meio da reação de redução / oxidação (redox) Fe / FeO (Fe + H 2 O ⇌ FeO + H 2 ). Em conjunto com uma célula de combustível, isso permite que o sistema se comporte como uma bateria recarregável, criando H 2 O / H 2 por meio da produção / consumo de eletricidade. Além disso, essa tecnologia tem impacto ambiental mínimo, pois poderia ser usada para armazenar energia de fontes intermitentes de energia solar e eólica, desenvolvendo um sistema energético com baixas emissões de dióxido de carbono.
Uma maneira pela qual o sistema pode iniciar é usando a reação redox Fe / FeO; então, o hidrogênio criado durante a oxidação do ferro pode ser consumido por uma célula de combustível, em conjunto com o oxigênio do ar para criar eletricidade. Quando a eletricidade deve ser armazenada, o hidrogênio gerado a partir da água operando a célula a combustível ao contrário é consumido durante a redução do óxido de ferro em ferro metálico. A combinação de ambos os ciclos é o que faz o sistema operar como uma bateria recarregável de ferro-ar.
As limitações desta tecnologia vêm dos materiais usados. Geralmente, leitos de pó de óxido de ferro são selecionados; no entanto, a sinterização e pulverização rápidas dos pós limitam a capacidade de atingir um grande número de ciclos, o que resulta em capacidade diminuída. Outros métodos atualmente sob investigação, como impressão 3D e fundição por congelamento , buscam permitir a criação de materiais de arquitetura para permitir grandes áreas de superfície e mudanças de volume durante a reação redox.