.
Pesquisadores da Texas A&M University descobriram uma diferença de 1.000% na capacidade de armazenamento de eletrodos de bateria sem metal e à base de água.
Essas baterias são diferentes das baterias de íons de lítio que contêm cobalto. A meta do grupo de pesquisar baterias sem metal decorre de ter um melhor controle sobre a cadeia produtiva nacional, já que o cobalto e o lítio são terceirizados. Essa química mais segura também evitaria incêndios na bateria.
A professora de engenharia química Dra. Jodie Lutkenhaus e o professor assistente de química Dr. Daniel Tabor publicaram suas descobertas sobre baterias sem lítio em Materiais da Natureza.
“Não haveria mais incêndios de bateria porque é à base de água”, disse Lutkenhaus. “No futuro, se houver previsão de escassez de materiais, o preço das baterias de íon-lítio vai subir muito. Se tivermos essa bateria alternativa, podemos recorrer a essa química, onde o fornecimento é muito mais estável porque podemos fabricá-las aqui nos Estados Unidos e os materiais para fazê-los estão aqui.”
Lutkenhaus disse que as baterias aquosas consistem em um cátodo, eletrólito e um ânodo. Os cátodos e ânodos são polímeros que podem armazenar energia, e o eletrólito é água misturada com sais orgânicos. O eletrólito é a chave para a condução de íons e armazenamento de energia por meio de suas interações com o eletrodo.
“Se um eletrodo incha muito durante o ciclo, ele não pode conduzir elétrons muito bem e você perde todo o desempenho”, disse ela. “Acredito que haja uma diferença de 1.000% na capacidade de armazenamento de energia, dependendo da escolha do eletrólito por causa dos efeitos de inchaço.”
De acordo com seu artigo, os polímeros radicais redox-ativos não conjugados (eletrodos) são candidatos promissores para baterias aquosas livres de metais devido à alta voltagem de descarga dos polímeros e à cinética redox rápida. A reação é complexa e difícil de resolver devido à transferência simultânea de elétrons, íons e moléculas de água.
“Demonstramos a natureza da reação redox examinando eletrólitos aquosos de caráter cao-/cosmotrópico variável usando microbalança eletroquímica de cristal de quartzo com monitoramento de dissipação em uma variedade de escalas de tempo”, de acordo com os pesquisadores no artigo.
O grupo de pesquisa de Tabor complementou os esforços experimentais com simulação e análise computacional. As simulações forneceram informações sobre a imagem em escala molecular microscópica da estrutura e dinâmica.
“Teoria e experimento geralmente trabalham juntos para entender esses materiais. Uma das coisas novas que fazemos computacionalmente neste artigo é que, na verdade, carregamos o eletrodo em vários estados de carga e vemos como o ambiente responde a esse carregamento”, Tabor disse.
Os pesquisadores observaram macroscopicamente se o cátodo da bateria estava funcionando melhor na presença de certos tipos de sais, medindo exatamente a quantidade de água e sal que entra na bateria enquanto ela está operando.
“Fizemos isso para explicar o que foi observado experimentalmente”, disse ele. “Agora, gostaríamos de expandir nossas simulações para sistemas futuros. Precisávamos ter nossa teoria confirmada de quais são as forças que estão impulsionando esse tipo de injeção de água e solvente.
“Com esta nova tecnologia de armazenamento de energia, este é um avanço para baterias sem lítio. Temos uma imagem de nível molecular melhor do que faz alguns eletrodos de bateria funcionarem melhor do que outros, e isso nos dá fortes evidências de onde avançar em materiais projeto”, disse Tabor.
O projeto é financiado pelo Departamento de Energia dos EUA e pela National Science Foundation por meio da Estação Experimental de Engenharia A&M do Texas.
.
