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Olhando para o futuro dos materiais da bateria.
Projetar uma bateria é um processo de três partes. Você precisa de um eletrodo positivo, precisa de um eletrodo negativo e – mais importante – você precisa de um eletrólito que funcione com ambos os eletrodos.
Um eletrólito é o componente da bateria que transfere íons – partículas transportadoras de carga – para frente e para trás entre os dois eletrodos da bateria, fazendo com que a bateria carregue e descarregue. Para as baterias de íon-lítio atuais, a química do eletrólito é relativamente bem definida. Para futuras gerações de baterias sendo desenvolvidas em todo o mundo e no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), no entanto, a questão do projeto de eletrólito está aberta.
“Enquanto estamos presos a um conceito particular de eletrólitos que funcionarão com as baterias comerciais de hoje, para baterias além do íon-lítio, o design e o desenvolvimento de diferentes eletrólitos serão cruciais”, disse Shirley Meng, cientista-chefe do Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science (ACCESS) e professor de engenharia molecular na Pritzker School of Molecular Engineering da Universidade de Chicago. “O desenvolvimento de eletrólitos é uma chave para o progresso que alcançaremos ao tornar essas baterias mais baratas, mais duradouras e mais potentes uma realidade, e dar um passo importante para continuar a descarbonizar nossa economia”.
Em um novo artigo publicado na Science, Meng e seus colegas expuseram sua visão para o design de eletrólitos em futuras gerações de baterias.
Mesmo os desvios relativamente pequenos das baterias de hoje exigirão um repensar do design do eletrólito, de acordo com Meng. Mudar de um óxido contendo níquel para um material à base de enxofre como principal constituinte do eletrodo positivo de uma bateria de íon-lítio pode gerar benefícios significativos de desempenho e reduzir custos se os cientistas descobrirem como reajustar o eletrólito, disse ela.
Para outras químicas além das baterias de íon-lítio, como íon-sódio recarregável ou oxigênio-lítio, os cientistas também terão que dedicar considerável atenção à questão do eletrólito.
Um fator importante que os cientistas estão considerando no desenvolvimento de novos eletrólitos é como eles tendem a formar uma camada intermediária chamada interfase, que aproveita a reatividade dos eletrodos. “As interfases são de importância crucial para o funcionamento de uma bateria porque controlam como os íons seletivos fluem para dentro e para fora dos eletrodos”, disse Meng. “As interfases funcionam como uma porta para o resto da bateria; se a sua porta não funcionar corretamente, o transporte seletivo não funciona.”
O objetivo de curto prazo, de acordo com a equipe, é projetar eletrólitos com as propriedades químicas e eletroquímicas corretas para permitir a formação ideal de interfases nos eletrodos positivo e negativo da bateria. Em última análise, no entanto, os pesquisadores acreditam que podem desenvolver um grupo de eletrólitos sólidos que seriam estáveis em temperaturas extremas (altas e baixas) e permitiriam que as baterias com alta energia tivessem uma vida útil muito mais longa.
“Um eletrólito de estado sólido para uma bateria totalmente sólida será um divisor de águas”, disse Venkat Srinivasan, diretor do ACCESS, vice-diretor do Joint Center for Energy Storage Research e coautor do artigo. “A chave para uma bateria de estado sólido é um ânodo de metal, mas seu desempenho é atualmente limitado pela formação de estruturas semelhantes a agulhas chamadas dendritos que podem causar curto-circuito na bateria. Ao encontrar um eletrólito sólido que impeça ou iniba a formação de dendritos, nós pode ser capaz de perceber os benefícios de algumas químicas de bateria realmente empolgantes.”
A fim de acelerar sua busca por descobertas de eletrólitos, os cientistas recorreram ao poder da caracterização avançada e da inteligência artificial (IA) para pesquisar digitalmente muitos outros candidatos possíveis, acelerando o que havia sido um processo lento e meticuloso de síntese laboratorial. “A computação de alto desempenho e a inteligência artificial estão nos permitindo identificar os melhores descritores e características que permitirão o design personalizado de vários eletrólitos para usos específicos”, disse Meng. “Em vez de olhar para algumas dezenas de possibilidades de eletrólitos por ano no laboratório, estamos olhando para muitos milhares com a ajuda da computação.”
“Os eletrólitos têm bilhões de combinações possíveis de componentes – sais, solventes e aditivos – com os quais podemos brincar”, disse Srinivasan. “Para transformar esse número em algo mais gerenciável, estamos começando a realmente usar o poder da IA, aprendizado de máquina e laboratórios automatizados”.
Os laboratórios automatizados aos quais Srinivasan se referiu incorporarão um regime experimental dirigido por robôs. Desta forma, as máquinas podem realizar experimentos cada vez mais cuidadosamente refinados e calibrados sem ajuda para eventualmente determinar qual combinação de componentes formará o eletrólito perfeito. “A descoberta automatizada pode aumentar drasticamente o poder de nossa pesquisa, pois as máquinas podem trabalhar sem parar e reduzir o potencial de erro humano”, disse ele.
O trabalho foi financiado pelo Joint Center for Energy Storage Research, um DOE Office of Science Energy Innovation Hub, e pelo DOE’s Office of Science, Basic Energy Sciences program.
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