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As baterias de íons de lítio (Li-ion) de alta densidade de energia são indispensáveis para alimentar veículos elétricos e híbridos, eletrônicos de última geração e redes elétricas. Essas baterias de íons de lítio contêm cátodos de alta densidade de energia baseados em óxidos de metais de transição. Entre inúmeros materiais potenciais investigados, o LiNi1/3Mn1/3companhia1/3O2 o catodo demonstrou oferecer o melhor desempenho em um alto potencial de 4,5 V versus Li/Li+ com alta capacidade reversível.
No entanto, em tais altos potenciais, as espécies de carbonato em eletrólitos comerciais – carbonato de etileno e carbonato de dietila – sofrem decomposição oxidativa excessiva. Isso, por sua vez, forma uma espessa interfase de eletrólito cátodo (CEI) na superfície do cátodo, comprometendo severamente seu desempenho. Consequentemente, os pesquisadores exploraram os aditivos eletrolíticos como forma de restringir a degradação do desempenho mascarando e estabilizando a superfície do cátodo. No entanto, as opções atualmente disponíveis apresentam riscos ambientais e de segurança.
Recentemente, uma equipe de pesquisadores, liderada pelo professor Noriyoshi Matsumi, do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), sintetizou microbialmente 2,5-dimetil-3,6-bis(4-aminobenzil)pirazina (DMBAP), um bio- composto à base de LiNi, como potencial aditivo para estabilizar1/3Mn1/3companhia1/3O2 cátodos. O que diferencia sua abordagem é o fato de que, ao contrário dos aditivos existentes, o DMBAP é sustentável, ecologicamente correto, econômico e não tóxico.
A equipe era composta pelo ex-professor Rajashekar Badam, pelo pesquisador de pós-doutorado Agman Gupta e pelo aluno de doutorado Noriyuki Takamori da JAIST, juntamente com o professor Naoki Takaya, o professor assistente Shunsuke Masuo e o ex-aluno de pós-graduação Hajime Minakawa da Universidade de Tsukuba no Japão. Suas descobertas foram publicadas na revista Scientific Reports.
“Embora os materiais derivados da biomassa atraiam pesquisadores e a sociedade em geral, suas aplicações em dispositivos elétricos, incluindo baterias de íon-lítio, ainda são limitadas. cluster de Pseudomonas fluorescens SBW25, descoberto em colaboração com o Prof. Masuo. Seu papel como aditivo eletrolítico pode impactar os campos da sustentabilidade e da indústria de células inteligentes”, explica o Prof. Takaya, falando sobre a motivação por trás do estudo.
Uma avaliação teórica inicial revelou que o orbital molecular ocupado mais alto (HOMO) da molécula DMBAP estava localizado em uma posição mais alta em comparação com um eletrólito de uso geral. Isso permitiu que ele fosse oxidado facilmente na superfície do cátodo e formasse uma camada protetora sobre ele. Além disso, a diamina em DMBAP impediu a dissolução de CEI.
A equipe também realizou uma avaliação eletroquímica detalhada do DMBAP para análise posterior. A energia da banda HOMO foi confirmada usando voltametria de varredura linear, enquanto a espectroscopia de fotoelétrons de raios-X revelou picos C−N=C indicativos de eletropolimerização oxidativa. Estudos de voltametria cíclica e carga-descarga mostraram que o aditivo DMBAP estabilizou o LiNi1/3Mn1/3companhia1/3O2 cátodo melhorando a capacidade de taxa da bateria, estabilidade cíclica, eficiência coulômbica e retenção de capacidade. Além disso, experimentos de espectroscopia de impedância eletroquímica dinâmica demonstraram a formação de um CEI de baixa resistência interfacial.
Com base nesses resultados, a equipe concluiu que o DMBAP sofreu decomposição oxidativa sacrificial, formando uma armadura de passivação orgânica na superfície do cátodo. Isso, por sua vez, restringiu a degradação excessiva do eletrólito e estabilizou a estrutura dos óxidos de metais de transição no cátodo. Com efeito, esse fenômeno virtuoso aumenta a janela de potencial operacional do LiNi1/3Mn1/3companhia1/3O2 cátodo para 4,5 V versus Li/Li+. Além disso, o efeito estabilizador do DMBAP no sistema de bateria foi notável para as configurações de meia célula e célula completa.
“O DMBAP composto de pirazina-amina preparado microbianamente aumentará o desempenho das baterias secundárias de íon-lítio essenciais para veículos elétricos e drones de próxima geração. Também promoverá a utilização mais ampla de recursos de base biológica na indústria automotiva em grande escala. Além disso, materiais de base biológica para dispositivos de armazenamento de energia reduzirão duplamente as emissões de dióxido de carbono – durante a fabricação e operação”, diz o Prof. Matsumi, discutindo os benefícios futuros de seu trabalho.
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