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As baterias de íons de lítio (LIBs) tornaram-se imensamente populares como fonte de energia para uma ampla variedade de dispositivos eletrônicos e veículos nas últimas duas décadas. Embora seja difícil exagerar os efeitos transformadores que os LIBs tiveram nas sociedades modernas, esta tecnologia tem uma boa dose de desvantagens que não podem mais ser ignoradas. Estes incluem a disponibilidade limitada de lítio, bem como preocupações ambientais e de segurança. Essas desvantagens motivaram cientistas de todo o mundo a procurar tecnologias alternativas de baterias, como baterias aquosas. As baterias de íons de potássio (KIBs) são um exemplo proeminente; essas baterias são feitas de materiais abundantemente disponíveis e são muito mais seguras que as LIBs. Além disso, os KIBs podem utilizar um eletrólito água-sal (WISE), o que os torna mais estáveis termicamente e quimicamente.
No entanto, a prevenção da evolução do hidrogénio no eléctrodo negativo para a sua estabilização é um grande desafio em baterias aquosas de alta tensão. Embora as interfases de eletrólito sólido (SEI) que se formam entre esses eletrodos e a solução eletrolítica ajudem a estabilizar os eletrodos nos LIBs (prevenindo a decomposição do eletrólito e a autodescarga das baterias), elas têm sido pouco pesquisadas no contexto dos KIBs.
Para abordar esta importante lacuna de conhecimento, uma equipe de pesquisa da Universidade de Ciência de Tóquio (TUS), Japão, conduziu recentemente um estudo pioneiro para obter insights sobre a formação de SEI e suas propriedades em KIBs baseados em WISE. Suas descobertas foram publicadas online na revista Angewandte Chemie Edição Internacional em 18 de agosto de 2023. O estudo, liderado pelo professor Shinichi Komaba da TUS, é coautor do professor associado júnior Ryoichi Tatara, do Dr.
Os pesquisadores empregaram principalmente duas técnicas analíticas avançadas – microscopia eletroquímica de varredura (SECM) e espectrometria de massa eletroquímica operacional (OEMS) – para observar como o SEI se forma e reage em tempo real durante a operação de um KIB com 3,4,9, Eletrodo negativo de diimida 10-perilenotetracarboxílico e 55 mol/kg K(FSA)0,6(OTf)0,4∙1H2O, um WISE desenvolvido pela equipe em um estudo anterior.
Os experimentos revelaram que o SEI forma uma camada passivante no WISE semelhante à observada nos LIBs, com taxas aparentes de transferência de elétrons lentas, ajudando a suprimir a evolução do hidrogênio. Isto pode garantir um desempenho estável e maior durabilidade dos KIBs. No entanto, os investigadores observaram que a cobertura da camada SEI era incompleta em tensões de funcionamento mais elevadas, levando à evolução do hidrogénio.
Tomados em conjunto, os resultados revelam a necessidade de explorar caminhos potenciais para melhorar a formação de SEI em futuras baterias aquosas. “Embora nossos resultados revelem detalhes interessantes sobre as propriedades e estabilidade do SEI encontradas em um WISE específico, também devemos nos concentrar no reforço da rede SEI para obter funcionalidade aprimorada”, comenta o Prof. “O SEI talvez pudesse ser melhorado pelo desenvolvimento de outros eletrólitos que produzam SEIs exclusivos, mas também através da incorporação de aditivos eletrolíticos ou pré-tratamento da superfície do eletrodo.”
Este estudo também destaca o poder do SECM e OEMS para obter uma compreensão sólida das interações eletrodo-eletrólito em baterias de próxima geração. “Essas técnicas fornecem um meio poderoso para rastrear o desenvolvimento, cobertura, transferência de íons e estabilidade do SEI e podem ser facilmente adaptadas para uma variedade de eletrólitos e eletrodos”, explica o Prof. “Esperamos que este trabalho incentive outros pesquisadores a explorar ainda mais o SECM e o OEMS como métodos avançados de caracterização que podem ser incorporados às medições tradicionais de baterias para obter insights mais profundos.”
O desenvolvimento de baterias aquosas, como os KIB, será fundamental para sociedades sustentáveis no futuro, uma vez que poderão substituir os caros e perigosos LIB actualmente utilizados em veículos eléctricos, redes inteligentes, sistemas de energias renováveis e aplicações marítimas. Ao tornar o armazenamento de energia mais acessível, as baterias aquosas ajudarão na transição para a geração de energia neutra em carbono, abrindo caminho para um futuro mais verde.
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