O uso de baterias de metal líquido (LMBs) tem se destacado como uma das soluções mais promissoras para o armazenamento de energia em larga escala, devido a sua alta eficiência, longividade e capacidade de operação em ambientes de alta temperatura. A evolução das tecnologias associadas a estas baterias, especialmente em relação aos materiais dos eletrodos, eletrólitos e gestão térmica, aponta para uma crescente viabilidade comercial, especialmente para aplicações em setores que exigem desempenho confiável sob condições severas.

As baterias de metal líquido operam com eletrólitos de sal fundido, cujos pontos de fusão elevados frequentemente obrigam a operação em temperaturas superiores a 300 °C. Isso representa um desafio significativo para a eficiência energética e para o custo operacional, pois a necessidade de manter essas temperaturas altas impõe exigências rigorosas de isolamento térmico e estabilidade dos materiais envolvidos. Contudo, avanços em ligas ternárias, como Sb−Bi−Sn, têm mostrado promissores resultados no aumento da densidade de energia, ao mesmo tempo em que reduzem o ponto de fusão, o que pode ajudar a operar as baterias a temperaturas mais baixas sem sacrificar a performance.

Além disso, pesquisadores têm se concentrado no desenvolvimento de eletrolitos otimizados, como as formulações LiCl-LiBr-KBr, que visam reduzir a temperatura operacional enquanto mantêm uma condutividade iônica superior. A implementação de novos materiais e composições de eletrólitos abre um leque de possibilidades para baterias de metal líquido de médio e alto desempenho.

Entre as inovações notáveis, destacam-se as baterias de sódio-enxofre (Na-S), que operam em temperaturas intermediárias ao invés das tradicionais Na-S, que exigem altas temperaturas de operação (300–350 °C). Essas baterias, desenvolvidas para operar em torno de 150 °C, apresentam uma solução mais segura e economicamente viável. Estudos recentes com a introdução de sistemas dual eletrólito, como o sistema de eletrólito sólido β”-Al2O3 e líquido iônico, têm mostrado grandes avanços na solubilidade do polissulfeto e na eficiência de operação, além de prolongar a vida útil das baterias. Estes sistemas proporcionam uma capacidade de descarga inicial impressionante e uma estabilidade de ciclo de mais de 1000 ciclos, com eficiência coulômbica próxima de 100%.

Ainda mais promissores são os experimentos com baterias que operam a temperaturas ambiente, como as de fluxo de metal líquido, que combinam anodos de ligas de Na-K com eletrólitos sólidos de K-β”-Al2O3. Essas baterias demonstraram uma produção de energia significativa a temperaturas tão baixas quanto 22 °C, com estabilidade mecânica e uma boa condutividade seletiva de K+, o que pode indicar um futuro promissor para aplicações em que a gestão térmica e o custo operacional são cruciais.

O desenvolvimento dessas tecnologias é crucial para a transição energética em direção a fontes renováveis de energia, pois as baterias de metal líquido, ao apresentarem alta resistência térmica e capacidade de operar por longos períodos, podem oferecer soluções duradouras para o armazenamento de energia de forma eficiente. Com a diminuição da necessidade de altas temperaturas e o aprimoramento contínuo dos materiais e processos, espera-se que as LMBs se tornem mais acessíveis e comercialmente viáveis em um futuro próximo.

Ademais, a busca por alternativas mais econômicas, como as baterias ZEBRA que utilizam Na-FeCl2, pode reduzir significativamente os custos operacionais, ao mesmo tempo em que ampliam a vida útil das baterias. Estudos indicam que estas baterias podem alcançar uma eficiência energética superior a 92%, mantendo uma densidade de energia de mais de 135 Wh kg−1 após 100 ciclos, mostrando o potencial de baterias intermediárias de temperatura para o armazenamento de energia estacionária.

O foco das pesquisas atuais gira em torno da otimização das fórmulas dos eletrólitos, da melhoria da solubilidade dos polissulfetos e do design das cátodos para aumentar a densidade de energia e a eficiência dos ciclos. Com isso, espera-se que as baterias de metal líquido possam não apenas atender às necessidades de armazenamento de energia em larga escala, mas também fornecer soluções sustentáveis e econômicas para o futuro energético global.

Como as Ligas de Metal Líquido à Base de Galium Contribuem para o Avanço das Baterias Recarregáveis

As ligas de metal líquido (LM) baseadas em galium (Ga) têm se mostrado promissoras no avanço das tecnologias de baterias devido a suas propriedades únicas, como a capacidade de auto-regeneração e a melhora das características de nucleação. O GaInSnZn, por exemplo, tem uma característica fluida essencial para cobrir a superfície inicialmente defeituosa da estrutura do Ti3C2Tx Mxene. Essa cobertura permite a formação de sementes amorfas de nucleação que são cruciais para a deposição de lítio livre de dendritos durante o processo inicial de platinação. Essas ligas possuem uma afinidade litiofílica, o que diminui a barreira de nucleação, mesmo sob alta densidade de corrente, facilitando o processo e melhorando a eficiência da bateria. Esse processo pode ser modelado pela reação de troca iônica in-situ, ao imergir o ânodo de lítio metálico em uma solução de GaCl3, o que resulta na formação de uma camada de liga GaLi, que serve como uma camada protetora e condutora eletricamente, crucial para melhorar a capacidade de descarga das células de lítio.

Da mesma forma, nas baterias de sódio (Na), o sódio tende a se depositar em locais de expansão local, resultando no crescimento dendrítico e fissuras na interface do ânodo de Na metálico. Para evitar esse problema, uma camada de liga GaNa pode ser formada através do processo de rolamento in-situ do metal Ga no ânodo de Na. Esta camada de GaNa regula o processo de deposição e despojo de Na+, fornecendo uma deposição uniforme de Na e melhorando a performance eletroquímica das células NGAL-Na. O uso de ligas de metal líquido à base de galium é uma estratégia eficiente não só para baterias de lítio, mas também para baterias de sódio, proporcionando uma maior estabilidade e longevidade dos ânodos.

Outro benefício importante das ligas de metal líquido à base de galium é sua propriedade de auto-regeneração. Devido à sua fluidez e alta tensão superficial, essas ligas mantêm uma forma esférica que permite sua reconfiguração e reparo de defeitos nas superfícies dos eletrodos. Esse comportamento auto-regenerativo é essencial para garantir baterias estáveis e duráveis, especialmente durante os ciclos repetidos de carga e descarga. Os materiais como GaIn ou GaIn nanopartículas (GaIn LMNPs) são frequentemente utilizados para recuperar defeitos de superfície em coletores de corrente, como o cobre, e mitigar a expansão volumétrica durante os ciclos repetidos, melhorando a eficiência das células de lítio e sódio. Esse efeito de auto-regeneração é possível graças ao comportamento fluido das ligas de metal líquido, que se reorganizam para restaurar a integridade das superfícies e melhorar o contato entre os metais depositados e o coletor de corrente.

Além disso, a incorporação de ligas de metal líquido à base de galium nos materiais dos eletrodos, como misturas com nanotubos de carbono (CNTs) e borracha de estireno-butadieno (SBR), permite a formação de uma camada artificial SEI (Interfase Sólido-Eletrolítica) induzida por metal líquido. Esta camada é flexível e ajuda a mitigar o crescimento de dendritos e os problemas de curto-circuito durante os ciclos. O uso dessas ligas em baterias de lítio e sódio melhora significativamente o desempenho, adaptando-se às mudanças volumétricas durante o processo de carga e descarga.

As ligas de metal líquido à base de galium também têm sido estudadas para outras aplicações, como em baterias de íons de magnésio e alumínio, onde seu comportamento auto-regenerativo pode ser aproveitado para resolver problemas como o crescimento de dendritos, corrosão do alumínio e trincas nas superfícies dos ânodos sólidos. Em baterias de alumínio-íon, por exemplo, o ânodo de Ga metálico apresenta uma liga/dealiga eficiente, sem defeitos de superfície, o que resulta em um desempenho de ciclo estável. A capacidade auto-regenerativa dessas ligas permite que o ânodo mantenha sua forma esférica após centenas de ciclos, contribuindo para uma vida útil muito mais longa da bateria.

Entretanto, para que essas ligas de metal líquido sejam eficazes em sistemas de gerenciamento térmico, como em baterias recarregáveis, é crucial que sua estabilidade seja aprimorada. Durante a operação de muitos dispositivos de armazenamento de energia, a geração de calor é um problema importante, e um gerenciamento térmico eficiente é essencial para garantir o funcionamento estável dos sistemas eletrônicos. As ligas de metal líquido à base de galium, como o EGaIn, apresentam boa condutividade térmica, o que as torna vantajosas para dissipação de calor. Contudo, a formação de compostos intermetálicos como Ga2Cu pode comprometer a estabilidade e a condutividade térmica das ligas. Portanto, é necessário desenvolver estratégias de estabilização, como o uso de ácido tânico para funcionalizar a superfície, prevenindo a formação de Ga2Cu e melhorando a eficiência do gerenciamento térmico.

Além dos aspectos discutidos, a combinação de ligas de metal líquido à base de galium com materiais convencionais, como metais e polímeros, está proporcionando novas oportunidades de melhorar a eficiência das baterias. Isso não se limita apenas à função estrutural, mas também ao desempenho geral, como a capacidade de carga, estabilidade de ciclo e resistência térmica, aspectos cruciais para a viabilidade de tecnologias de baterias em larga escala.

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