Uma equipa da Universidade de Waterloo, no Canadá, desenvolveu um elétrodo impresso em 3D capaz de melhorar significativamente o desempenho de baterias de fluxo redox, uma tecnologia usada para armazenar grandes quantidades de energia proveniente de fontes renováveis como o vento e o sol. O estudo, publicado na revista Journal of Energy Storage, mostra ganhos de desempenho de 52 por cento face a estruturas convencionais.
A investigação foi liderada por Maxime van der Heijden, professor de engenharia química na Universidade de Waterloo, em colaboração com a Universidade Técnica de Eindhoven. A equipa usou impressão 3D para conseguir um controlo muito mais fino sobre a estrutura interna do elétrodo do que aquele que é possível alcançar com métodos de fabrico tradicionais.
Este tipo de investigação interessa sobretudo a quem acompanha aplicações da impressão 3D fora do fabrico de peças tradicionais, mostrando como a tecnologia pode também ter um papel relevante na transição energética.
O que são as baterias de fluxo redox
Ao contrário das baterias de iões de lítio mais comuns, que armazenam energia em materiais sólidos, as baterias de fluxo redox guardam a energia em eletrólitos líquidos mantidos em tanques externos. Isto significa que a capacidade de armazenamento pode ser aumentada apenas com tanques maiores, e que estas baterias usam eletrólitos à base de água, o que as torna mais seguras do que baterias de lítio em aplicações de grande escala, como o armazenamento de energia para uma rede elétrica.
O desafio deste tipo de bateria está em garantir que o líquido consegue circular de forma eficiente até às superfícies onde ocorrem as reações que armazenam e libertam energia, algo que os métodos de fabrico tradicionais têm dificuldade em otimizar.
Como a impressão 3D ajudou a resolver o problema
A equipa recorreu a geometrias conhecidas como superfícies mínimas triplamente periódicas, formas tridimensionais complexas e repetitivas inspiradas em padrões encontrados na natureza. Depois de testar várias destas geometrias, a que mostrou melhor desempenho foi a chamada geometria diamante, que aumentou o desempenho em 52 por cento face a um design convencional de grelha simples.
As estruturas foram impressas com uma impressora de fotopolimerização por vat, de baixo custo, e depois tratadas termicamente para se tornarem elétrodos de carbono condutor. Os elétrodos foram testados com sucesso tanto em células de fluxo em laboratório como numa bateria de fluxo redox de vanádio em funcionamento real.
Porque é que esta geometria funciona melhor
Segundo os investigadores, a estrutura em diamante oferece um equilíbrio particularmente bom entre área de superfície disponível para reações químicas e resistência à passagem do líquido através do material. Os elétrodos de carbono usados atualmente em sistemas comerciais, feitos de mantas de fibra de carbono, oferecem bastante área de superfície, mas resistem à passagem de líquido de forma semelhante a uma esponja densa, o que aumenta a energia necessária para bombear o eletrólito através do sistema.
Ao desenhar a estrutura interna do elétrodo com equações matemáticas de superfície em vez de depender de materiais fibrosos aleatórios, a equipa conseguiu reduzir essa resistência sem sacrificar a área de superfície necessária para as reações químicas.
O que vem a seguir
Segundo a equipa, os próximos passos passam por aumentar ainda mais a área de superfície dos elétrodos, melhorar os métodos de fabrico e explorar ferramentas de design mais avançadas para criar estruturas ainda mais eficientes. Os investigadores acreditam que esta abordagem pode ajudar a tornar as baterias de fluxo redox mais competitivas para armazenamento de energia à escala de comunidades e de redes elétricas.
O que fica desta investigação
Este estudo é um bom exemplo de como a impressão 3D pode contribuir para resolver problemas de engenharia bastante específicos, neste caso o controlo do fluxo de líquido dentro de um elétrodo, através de geometrias que seriam praticamente impossíveis de produzir com métodos de fabrico convencionais. À medida que mais energia elétrica vier de fontes renováveis intermitentes como o vento e o sol, tecnologias de armazenamento como esta tendem a ganhar cada vez mais relevância.
