A expectativa pública em relação às baterias é clara: deseja-se que elas durem dias sem precisar de recarga, não vazem ou peguem fogo, e garantam armazenamento confiável por muitos anos. Embora a tecnologia atual atenda a essas demandas em alguns casos, os Estados Unidos têm uma necessidade urgente de soluções de armazenamento de energia de longa duração em larga escala, que sejam seguras e eficientes.
Para atender a essa necessidade, será necessário desenvolver novos tipos de baterias que possam fornecer energia para a rede elétrica e transportar cargas pesadas por longas distâncias. A Energy Storage Research Alliance (ESRA), um novo centro de inovação do Departamento de Energia dos EUA (DOE), foi criada para acelerar a descoberta de materiais e químicas de baterias que utilizam componentes abundantes na Terra e processos de fabricação sustentáveis.
A ESRA, uma das duas novas iniciativas focadas em armazenamento de energia do DOE, conta com a liderança de três laboratórios nacionais: o Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL), o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e o Laboratório Nacional Argonne, que atua como sede do projeto. Além disso, 12 universidades estão envolvidas nas pesquisas da ESRA.
“A ESRA nos permitirá aprofundar nossas pesquisas em materiais de baterias e tecnologias acessíveis,” afirmou Wei Wang, diretor adjunto da ESRA e líder da Energy Storage Materials Initiative do PNNL.
O Momento é Agora
O investimento do DOE, de até US$ 62,5 milhões em cinco anos, permitirá à ESRA mobilizar cientistas e ferramentas para identificar rapidamente as abordagens mais promissoras para o armazenamento de energia em larga escala.
Nos últimos anos, os avanços científicos na compreensão de como armazenar e liberar energia em ligações químicas progrediram muito. “Agora é o momento de acelerar esse conhecimento fundamental sobre materiais e propriedades que mostram potencial para o armazenamento de energia de longa duração,” disse Wang. Ele também destacou os investimentos do PNNL em tecnologias como baterias de fluxo redox, robótica avançada e espectroscopia, que serão aproveitados no projeto.
Armazenamento de Energia de Longa Duração para a Rede
À medida que a rede elétrica se torna mais dependente de fontes de energia intermitentes, como solar e eólica, o armazenamento de energia de longo prazo é essencial. O PNNL tem expertise no desenvolvimento de baterias de fluxo redox, uma das maneiras mais promissoras de armazenar energia de forma segura e confiável. Em 2023, a equipe de Wang conseguiu demonstrar, em laboratório, uma bateria de fluxo operando de forma estável por mais de um ano.
Através da ESRA, os pesquisadores vão explorar novos materiais e químicas para baterias, utilizando inteligência artificial para acelerar o processo e evitar caminhos ineficazes. O uso dessas tecnologias ajudará a identificar rapidamente os materiais mais promissores para o armazenamento de energia.
Gêmeos Digitais Moleculares e Robótica
Os cientistas da ESRA também usarão ferramentas avançadas, como robôs chamados Albert e Beverly, para acelerar a descoberta de novos materiais para baterias. Esses robôs, já em uso no PNNL, irão colaborar com tecnologias de inteligência artificial do Laboratório Argonne para otimizar a descoberta de novos materiais. Em paralelo, o Laboratório Lawrence Berkeley estudará baterias de estado sólido. O trabalho conjunto entre os laboratórios irá acelerar ainda mais o processo de descoberta de materiais.
A equipe usará aprendizado de máquina para correlacionar estruturas de materiais com suas propriedades, permitindo previsões mais precisas sobre o potencial de novos materiais. Essa abordagem, conhecida como gêmeo digital, é comum na indústria e agora será aplicada à pesquisa científica.
Espectroscopia Avançada
Uma vez que um protótipo promissor de bateria seja criado, ele será avaliado quanto à sua eficiência e durabilidade. O PNNL desenvolveu ferramentas exclusivas de caracterização, como a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), que permite aos cientistas observar o comportamento dos sistemas de armazenamento de energia em ação. Esse método ajuda a entender como os íons se movem dentro das baterias, o que é crucial para identificar possíveis falhas em sistemas complexos.
“O acompanhamento do movimento dos íons em sistemas de armazenamento de energia é um dos maiores desafios,” afirmou Vijay Murugesan, especialista em ciência dos materiais no PNNL e líder da ESRA.
Sobre a ESRA
A Energy Storage Research Alliance (ESRA), liderada pelo Laboratório Nacional Argonne, reúne pesquisadores de quatro laboratórios nacionais e 12 universidades. A ESRA visa descobertas transformadoras na química de materiais, compreensão dos fenômenos eletroquímicos e formação de bases científicas para avanços em tecnologias de armazenamento de energia, além de treinar a próxima geração de cientistas no campo de baterias.
Sobre o PNNL
Fundado em 1965, o Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) é gerido pela Battelle para o Departamento de Energia dos EUA, com foco em desafios de energia sustentável e segurança nacional.
