.
Com um novo design, as baterias de lítio-enxofre podem atingir todo o seu potencial.
As baterias estão em toda parte na vida cotidiana, desde telefones celulares e relógios inteligentes até o número crescente de veículos elétricos. A maioria desses dispositivos usa a conhecida tecnologia de baterias de íon-lítio. E embora as baterias de íon-lítio tenham percorrido um longo caminho desde que foram introduzidas, elas também apresentam algumas desvantagens familiares, como vida útil curta, superaquecimento e desafios da cadeia para certas matérias-primas.
Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) estão pesquisando soluções para essas questões testando novos materiais na construção de baterias. Um desses materiais é o enxofre. O enxofre é extremamente abundante e econômico e pode conter mais energia do que as baterias tradicionais baseadas em íons.
Em um novo estudo, os pesquisadores avançaram na pesquisa de baterias à base de enxofre, criando uma camada dentro da bateria que adiciona capacidade de armazenamento de energia, quase eliminando um problema tradicional com baterias de enxofre que causam corrosão.
“Esses resultados demonstram que uma camada intermediária redox-ativa pode ter um enorme impacto no desenvolvimento da bateria Li-S. Estamos um passo mais perto de ver essa tecnologia em nossas vidas cotidianas.” — Wenqian Xu, cientista da linha de luz da APS
Um projeto promissor de bateria combina um eletrodo positivo contendo enxofre (cátodo) com um eletrodo negativo de metal de lítio (ânodo). Entre esses componentes está o eletrólito, ou a substância que permite que os íons passem entre as duas extremidades da bateria.
As primeiras baterias de lítio-enxofre (Li-S) não tinham um bom desempenho porque as espécies de enxofre (polissulfetos) se dissolviam no eletrólito, causando sua corrosão. Esse efeito de transporte de polissulfeto afeta negativamente a vida útil da bateria e reduz o número de vezes que a bateria pode ser recarregada.
Para evitar esse transporte de polissulfeto, pesquisadores anteriores tentaram colocar uma camada intermediária redox-inativa entre o cátodo e o ânodo. O termo “redox-inativo” significa que o material não sofre reações como as de um eletrodo. Mas essa camada intermediária protetora é pesada e densa, reduzindo a capacidade de armazenamento de energia por unidade de peso da bateria. Também não reduz adequadamente o transporte. Isso provou ser uma grande barreira para a comercialização de baterias Li-S.
Para resolver isso, os pesquisadores desenvolveram e testaram uma camada intermediária porosa contendo enxofre. Testes em laboratório mostraram capacidade inicial cerca de três vezes maior em células Li-S com essa camada intermediária ativa, em oposição à inativa. Mais impressionante, as células com a camada intermediária ativa mantiveram alta capacidade por mais de 700 ciclos de carga e descarga.
“Experimentos anteriores com células com a camada redox-inativa apenas suprimiram o vaivém, mas ao fazê-lo, eles sacrificaram a energia para um determinado peso de célula porque a camada acrescentou peso extra”, disse Guiliang Xu, um químico de Argonne e co-autor de o papel. “Por outro lado, nossa camada redox-ativa aumenta a capacidade de armazenamento de energia e suprime o efeito de transporte.”
Para estudar ainda mais a camada redox-ativa, a equipe realizou experimentos na linha de luz 17-BM da Argonne’s Advanced Photon Source (APS), uma instalação do usuário do DOE Office of Science. Os dados coletados da exposição de células com essa camada a feixes de raios-X permitiram à equipe verificar os benefícios da camada intermediária.
Os dados confirmaram que uma camada intermediária redox-ativa pode reduzir o vaivém, reduzir as reações prejudiciais dentro da bateria e aumentar a capacidade da bateria de reter mais carga e durar mais ciclos. “Esses resultados demonstram que uma camada intermediária redox-ativa pode ter um enorme impacto no desenvolvimento da bateria Li-S”, disse Wenqian Xu, cientista da linha de luz da APS. “Estamos um passo mais perto de ver essa tecnologia em nossas vidas cotidianas.”
No futuro, a equipe deseja avaliar o potencial de crescimento da tecnologia de camada intermediária redox-ativa. “Queremos tentar torná-lo muito mais fino, muito mais leve”, disse Guiliang Xu.
Um artigo baseado na pesquisa apareceu na edição de 8 de agosto da Nature Communications. Khalil Amine, Tianyi Li, Xiang Liu, Guiliang Xu, Wenqian Xu, Chen Zhao e Xiao-Bing Zuo contribuíram para o artigo.
Esta pesquisa foi patrocinada pelo Departamento de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, pelo Programa de Pesquisa de Materiais de Bateria de Escritório de Tecnologias de Veículos e pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coréia.
.
