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Baterias de lítio metálico estão entre os candidatos mais promissores da próxima geração de baterias de alta energia. Elas podem armazenar pelo menos o dobro de energia por unidade de volume do que as baterias de íons de lítio que são amplamente utilizadas hoje. Isso significa, por exemplo, que um carro elétrico pode viajar o dobro de distância com uma única carga, ou que um smartphone não precisará ser recarregado com tanta frequência.
Atualmente, ainda há uma desvantagem crucial com as baterias de lítio metálico: o eletrólito líquido requer a adição de quantidades significativas de solventes fluorados e sais fluorados, o que aumenta sua pegada ambiental. Sem a adição de flúor, no entanto, as baterias de lítio metálico seriam instáveis, elas parariam de funcionar após muito poucos ciclos de carga e seriam propensas a curtos-circuitos, bem como superaquecimento e ignição. Um grupo de pesquisa liderado por Maria Lukatskaya, Professora de Sistemas de Energia Eletroquímica na ETH Zurich, desenvolveu agora um novo método que reduz drasticamente a quantidade de flúor necessária em baterias de lítio metálico, tornando-as mais ecológicas e mais estáveis, bem como econômicas.
Uma camada protetora estável aumenta a segurança e a eficiência da bateria
Os compostos fluorados do eletrólito ajudam na formação de uma camada protetora ao redor do lítio metálico no eletrodo negativo da bateria. “Essa camada protetora pode ser comparada ao esmalte de um dente”, explica Lukatskaya. “Ela protege o lítio metálico da reação contínua com componentes do eletrólito.” Sem ela, o eletrólito se esgotaria rapidamente durante o ciclo, a célula falharia e a falta de uma camada estável resultaria na formação de fios metálicos de lítio — ‘dendritos’ — durante o processo de recarga em vez de uma camada plana conformada.
Se esses dendritos tocarem o eletrodo positivo, isso causaria um curto-circuito com o risco de a bateria esquentar tanto que ela se incendeia. A capacidade de controlar as propriedades dessa camada protetora é, portanto, crucial para o desempenho da bateria. Uma camada protetora estável aumenta a eficiência, a segurança e a vida útil da bateria.
Minimizar o teor de flúor
“A questão era como reduzir a quantidade de flúor adicionado sem comprometer a estabilidade da camada protetora”, diz o aluno de doutorado Nathan Hong. O novo método do grupo usa atração eletrostática para atingir a reação desejada. Aqui, moléculas fluoradas eletricamente carregadas servem como um veículo para transportar o flúor para a camada protetora. Isso significa que apenas 0,1 por cento em peso de flúor é necessário no eletrólito líquido, o que é pelo menos 20 vezes menor do que em estudos anteriores.
Método otimizado torna as baterias mais ecológicas
O grupo de pesquisa da ETH Zurich descreve o novo método e seus princípios subjacentes em um artigo publicado recentemente na revista Energia e Ciência Ambiental. Foi feito um pedido de patente.
Um dos maiores desafios era encontrar a molécula certa à qual o flúor pudesse ser ligado e que também se decompusesse novamente sob as condições certas quando atingisse o metal de lítio. Como o grupo explica, uma vantagem fundamental desse método é que ele pode ser perfeitamente integrado ao processo de produção de baterias existente sem gerar custos adicionais para alterar a configuração da produção. As baterias usadas no laboratório eram do tamanho de uma moeda. Em uma próxima etapa, os pesquisadores planejam testar a escalabilidade do método e aplicá-lo a células de bolsa, como as usadas em smartphones.
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