Estudo de bateria bipolar baseada em coletores de corrente em fibra de carbono

• Processo: 24/12953-7
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Programa Fixação de Jovens Doutores
• Data de Início da vigência: 01 de setembro de 2024
• Data de Término da vigência: 31 de agosto de 2026
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia de Materiais e Metalúrgica - Materiais Não-metálicos
• Acordo de Cooperação: CNPq
• Pesquisador responsável: Evaldo Jose Corat
• Beneficiário: Bianca Akemi Kawata
• Instituição Sede: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). São José dos Campos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 24/01997-3 - Estudo de bateria bipolar baseada em coletores de corrente em fibra de carbono, AP.R
• Assunto(s): Baterias Manganês Polianilina
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: baterias | Baterias bipolares | Manganês | materiais carbonosos | polianilina | Carbono e modificações superficiais

Resumo

A busca por fontes de energia mais limpas exige o desenvolvimento de novas tecnologias em baterias. As baterias de chumbo-ácido (BCA), apesar de suas vantagens (custo, vida útil, reciclagem), precisam ser aprimoradas. A adição de carbono pode aumentar a vida útil e a aceitação de carga das BCA, o que as torna mais competitivas no mercado. O carbono causa perda de água nas baterias devido à evolução de hidrogênio, limitando seu uso. Como solução promissora pode-se usar carbono como coletor de corrente na placa negativa. Essa tecnologia pode tornar as BAC mais eficientes, leves e sustentáveis, contribuindo para a transição para um futuro energético mais limpo. Uma modificação interessante nestes coletores, desenvolvida em doutorado no nosso grupo, é a deposição de polianilina (PAni), que, quando dopada com sulfato, apresenta alta condutividade, além de ser resistente ao meio ácido de sulfato. Nossos estudos mostraram que um compósito baseado em PAni/Pb, testado para evitar a evolução da reação de evolução de hidrogênio a partir de uma fibra de carbono, utilizada como coletor de corrente, apresentou-se estável e com alto potencial de evolução de hidrogênio (até - 0,75 V vs. Ag/AgCl). Foram feitos os testes de substituição da grade coletora do eletrodo negativo por fibra de carbono revestida por PAni/Pb, com resultados surpreendentemente compatíveis. Um novo modelo para baterias, que surge como uma proposta promissora diante das atuais presentes no mercado, é a bateria aquosa de manganês-chumbo, baseada na deposição/dissolução do MnO2 sobre feltro de carbono como catodo e do PbSO4/Pb como anodo. Este sistema apresenta baixo custo de produção (US$ 8,6 kWh-1), ciclo de vida longo (10000 ciclos), alta densidade de energia (113 Wh kg-1) e capacidade de operação em baixas temperaturas (-40ºC), mostrando excelente estabilidade quando comparadas às baterias para aplicações em larga escala usadas atualmente. O desenvolvimento de baterias bipolares se apresenta como o estado da arte em pesquisa sobre baterias, podendo aumentar sua densidade de energia, melhorar a eficiência e reduzir os custos de produção. No entanto, este tipo de tecnologia ainda apresenta um grande desafio na busca por um único material condutor que suporte tanto o eletrodo negativo, quanto o positivo. Nosso desenvolvimento do compósito PAni/Pb torna natural o uso de um único material, a fibra de carbono, como base para esta proposta do presente projeto, que busca desenvolver eletrodos bipolares para baterias de manganês-chumbo, utilizando fibras de carbono como base para os eletrodos positivo e negativo. Para melhorar o desempenho da fibra de carbono como coletor de corrente do eletrodo negativo, será depositado o (PAni/Pb). Serão propostos três tipos de substratos bipolares para sustentar os eletrodos positivo e negativo, permitindo a passagem de corrente elétrica entre eles. Células eletroquímicas serão montadas com os eletrodos propostos e o desempenho do sistema será avaliado através de técnicas eletroquímicas, incluindo teste de Peukert e teste de estado de carga parcial. Este trabalho será conduzido em cooperação com a empresa Teccer Indústria e Comércio de Produtos Cerâmicos Ltda, que através do projeto PIPE 2023/00153-3, estabeleceu infraestrutura de pesquisa em BCA, e será responsável por fornecer a massa ativa negativa de chumbo.