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Os segredos das baterias reversíveis de óxido de estado sólido: como elas carregam e descarregam simultaneamente?
Com a crescente demanda global por energia renovável e tecnologias de armazenamento de energia de alta eficiência, as baterias reversíveis de óxido de estado sólido (rSOCs) se tornaram uma área de pesquisa atraente. Essa tecnologia emergente não só é capaz de operar como uma célula de combustível de oxidação em estado sólido, mas também pode ser transformada em um eletrolisador de estado sólido, o que ajuda a melhorar a eficiência do armazenamento e da conversão de energia. Este artigo analisará mais detalhadamente a estrutura, o princípio de funcionamento e o potencial do rSOC para armazenamento de energia.
Uma célula de oxidação de estado sólido reversível é um dispositivo eletroquímico de estado sólido que pode operar alternadamente entre os modos de célula de combustível de oxidação de estado sólido e eletrolisador de estado sólido.
Descrição técnica
Estrutura da bateria e princípio de funcionamento
O sistema rSOC consiste em quatro componentes principais: eletrólito, eletrodos de combustível e oxigênio e componentes de interconexão. As camadas porosas desses eletrodos facilitam a difusão de reagentes dentro deles e catalisam reações eletroquímicas. Em tecnologias convencionais, como SOFCs e SOECs, cada eletrodo tem uma única função, mas em células de oxidação de estado sólido reversíveis, ambos os modos podem ser alternados no mesmo dispositivo. Isso permite que nomes mais gerais sejam usados ao descrever os eletrodos, como eletrodo de combustível e eletrodo de oxigênio.
No modo SOFC, a reação de oxidação do combustível ocorre no eletrodo de combustível, enquanto no modo SOEC, é a reação de redução dos íons de oxigênio. No eletrodo de oxigênio, a reação de redução de oxigênio ocorre no modo SOFC e a reação de oxidação no modo SOEC. Quando o rSOC opera no modo SOFC, os íons de oxigênio fluem do eletrodo de oxigênio para o eletrodo de combustível, onde ocorrem reações de oxidação; enquanto no modo SOEC, os reagentes são reduzidos no ânodo e produzem íons de oxigênio, que fluem novamente para o eletrodo de oxigênio.
Curva de polarização
Uma ferramenta comum para avaliar o desempenho do rSOC é a curva de polarização. Este gráfico mostra a relação entre a densidade de corrente de uma bateria e sua tensão operacional. Quando o circuito rSOC não está fechado, a tensão de operação é chamada de tensão de circuito aberto. Quando uma certa flutuação ou corrente é extraída ou fornecida, a tensão operacional começará a se desviar da tensão de circuito aberto, que é afetada principalmente por perdas de ativação, perdas ôhmicas e perdas de concentração.
Reações químicasNo modo SOEC, se a tensão operacional for menor que a tensão termoneutra, a reação é endotérmica; se for maior que a tensão termoneutra, é exotérmica.
Na operação do rSOC, a reação entre hidrogênio e vapor de água é uma reação química comum. No modo SOFC, o hidrogênio reage com o oxigênio para formar água, enquanto no modo SOEC, a água é decomposta novamente em hidrogênio e oxigênio.
Além disso, o rSOC não se limita a reações de hidrogênio, mas também pode processar reagentes contendo carbono, como o metano. Essas reações químicas podem ser realizadas em altas temperaturas com risco reduzido de envenenamento do catalisador, proporcionando opções mais flexíveis para conversão de energia.
A amônia é um potencial transportador de hidrogênio, pois sua alta densidade volumétrica permite que ela seja usada como um combustível eficiente.
Sistema rSOC e sua aplicação em armazenamento de energia
O rSOC tem atraído cada vez mais atenção devido ao seu excelente desempenho, especialmente no armazenamento periódico ou sazonal de energia. Comparados com as tecnologias tradicionais de armazenamento bombeado e armazenamento de energia por ar comprimido, os sistemas rSOC têm vantagens significativas em termos de ausência de restrições geográficas e maior densidade de armazenamento de energia.
Nesse cenário, o armazenamento de hidrogênio se torna uma escolha ideal. O rSOC pode executar operações bidirecionais em geração de energia e conversão de hidrogênio. Essa alta eficiência não apenas reduz o custo geral de investimento do equipamento, mas também aumenta a estabilidade do sistema.
Eficiência do circuito
Ao discutir o rSOC, a eficiência do loop é um indicador muito importante, que representa a eficiência do processo de conversão de energia do carregamento para o descarregamento. À medida que o desempenho da bateria melhora, esse parâmetro se tornará um fator importante na determinação da competitividade do rSOC no mercado.
A eficiência do loop do rSOC pode ser usada como um indicador importante para avaliar sua eficácia na conversão de energia.
À medida que a demanda por tecnologias de energia renovável continua a aumentar, as baterias reversíveis de óxido de estado sólido podem se tornar uma solução comum para armazenamento de energia no futuro?
