Construção de Baterias Mais Potentes Possível com Novo Design de Eléctrodo

Novas investigações podem levar a baterias que podem embalar mais energia por libra e durar mais tempo, com base no objectivo há muito procurado de utilizar lítio metálico puro como um dos dois eléctrodos da bateria, o ânodo.

O novo conceito de eléctrodo vem do laboratório da Ju Li, a Battelle Energy Alliance Professor de Ciência e Engenharia Nuclear e professor de ciência e engenharia de materiais. É descrito na revista Nature, num artigo co-autor de Yuming Chen e Ziqiang Wang no MIT, juntamente com outros 11 no MIT e em Hong Kong, Florida e Texas.

O design faz parte de um conceito para o desenvolvimento de baterias seguras de estado totalmente sólido, dispensando o líquido ou gel de polímero normalmente utilizado como material electrólito entre os dois eléctrodos da bateria. Um electrólito permite aos iões de lítio viajar para trás e para a frente durante os ciclos de carga e descarga da bateria, e uma versão totalmente sólida poderia ser mais segura do que os electrólitos líquidos, que têm alta volatilidade e têm sido a fonte de explosões nas baterias de lítio, informou o Phys.

"Tem havido muito trabalho em baterias de estado sólido, com eléctrodos de lítio metálico e electrólitos sólidos", diz Li, mas estes esforços têm enfrentado uma série de problemas.

Um dos maiores problemas é que quando a bateria é carregada, os átomos acumulam-se no interior do metal de lítio, provocando a sua expansão. O metal volta então a encolher durante a descarga, à medida que a bateria é utilizada. Estas alterações repetidas nas dimensões do metal, algo como o processo de inalação e exalação, tornam difícil para os sólidos manterem contacto constante, e tendem a provocar a fractura ou descolamento do electrólito sólido.

Outro problema é que nenhum dos electrólitos sólidos propostos é verdadeiramente estável quimicamente enquanto em contacto com o metal de lítio altamente reactivo, e estes tendem a degradar-se com o tempo.

A maioria das tentativas para ultrapassar estes problemas tem-se concentrado na concepção de materiais electrolíticos sólidos que são absolutamente estáveis contra o lítio metálico, o que se revela difícil. Em vez disso, Li e a sua equipa adoptaram um desenho invulgar que utiliza duas classes adicionais de sólidos, "condutores iónicos-electrónicos mistos" (MIEC) e "isoladores de electrões e iões de lítio" (ELI), que são absolutamente estáveis quimicamente em contacto com o metal do lítio.

Os investigadores desenvolveram uma nanoarquitectura tridimensional sob a forma de um conjunto de tubos hexagonais MIEC em forma de favo de mel, parcialmente infundidos com o metal sólido de lítio para formar um eléctrodo da bateria, mas com espaço extra deixado dentro de cada tubo. Quando o lítio se expande no processo de carga, flui para o espaço vazio no interior dos tubos, movendo-se como um líquido mesmo que retenha a sua estrutura cristalina sólida. Este fluxo, inteiramente confinado dentro da estrutura alveolar, alivia a pressão da expansão causada pela carga, mas sem alterar as dimensões exteriores do eléctrodo ou a fronteira entre o eléctrodo e o electrólito. O outro material, o ELI, serve como aglutinante mecânico crucial entre as paredes do MIEC e a camada sólida do electrólito.

"Concebemos esta estrutura que nos dá eléctrodos tridimensionais, como um favo de mel", diz Li. Os espaços vazios em cada tubo da estrutura permitem que o lítio "rasteje para trás" para dentro dos tubos, "e assim, não acumula tensão para rachar o electrólito sólido". O lítio em expansão e contracção dentro destes tubos entra e sai, como os pistões de um motor de automóvel dentro dos seus cilindros. Uma vez que estas estruturas são construídas a nanoescala (os tubos têm cerca de 100 a 300 nanómetros de diâmetro, e dezenas de microns de altura), o resultado é como "um motor com 10 mil milhões de pistões, com o lítio metálico como fluido de trabalho", diz Li.

Uma vez que as paredes destas estruturas tipo favo de mel são feitas de MIEC quimicamente estável, o lítio nunca perde contacto eléctrico com o material, diz Li. Assim, toda a bateria sólida pode permanecer mecânica e quimicamente estável à medida que passa pelos seus ciclos de utilização. A equipa provou experimentalmente o conceito, colocando um dispositivo de teste através de 100 ciclos de carga e descarga sem produzir qualquer fractura dos sólidos.

Li diz que embora muitos outros grupos estejam a trabalhar naquilo a que chamam baterias sólidas, a maioria desses sistemas funciona melhor com algum electrólito líquido misturado com o material electrolítico sólido. Mas no nosso caso", diz ele, "é tudo verdadeiramente sólido". Não há qualquer tipo de líquido ou gel nele".

O novo sistema poderia conduzir a ânodos seguros que pesam apenas um quarto do que os seus equivalentes convencionais em baterias de iões de lítio, para a mesma quantidade de capacidade de armazenamento. Se combinado com novos conceitos para versões leves do outro eléctrodo, o cátodo, este trabalho poderia levar a reduções substanciais no peso global das baterias de iões de lítio. Por exemplo, a equipa espera que possa levar a telemóveis que possam ser carregados apenas uma vez a cada três dias, sem que os telefones se tornem mais pesados ou volumosos.

Um novo conceito para um cátodo mais leve foi descrito por outra equipa liderada por Li, num artigo publicado no mês passado na revista Nature Energy, co-autoria do postdoc Zhi Zhu do MIT e da estudante de pós-graduação Daiwei Yu. O material reduziria a utilização de níquel e cobalto, que são caros e tóxicos e utilizados nos catódicos actuais. O novo cátodo não depende apenas da contribuição da capacidade destes metais de transição no ciclismo em bateria. Em vez disso, dependeria mais da capacidade redox de oxigénio, que é muito mais leve e mais abundante. Mas neste processo os iões de oxigénio tornam-se mais móveis, o que os pode levar a escapar das partículas do cátodo. Os investigadores utilizaram um tratamento de superfície a alta temperatura com sal fundido para produzir uma camada superficial protectora sobre partículas de óxido metálico rico em manganês e lítio, pelo que a quantidade de perda de oxigénio é drasticamente reduzida.

Embora a camada superficial seja muito fina, apenas 5 a 20 nanómetros de espessura sobre uma partícula de 400 nanómetros de largura, proporciona uma boa protecção para o material subjacente. "É quase como uma imunização", diz Li, contra os efeitos destrutivos da perda de oxigénio em baterias utilizadas à temperatura ambiente. As versões actuais proporcionam uma melhoria de pelo menos 50% na quantidade de energia que pode ser armazenada para um determinado peso, com muito melhor estabilidade ciclística.

Até agora, a equipa apenas construiu pequenos dispositivos à escala de laboratório, mas "espero que isto possa ser escalado muito rapidamente", diz Li. Os materiais necessários, na sua maioria manganês, são significativamente mais baratos do que o níquel ou o cobalto utilizados por outros sistemas, pelo que estes catodos poderiam custar tão pouco como um quinto quanto as versões convencionais.

Autor: Tasnim News

Crédito de imagem: Pixabay

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