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Muitos proprietários de carros elétricos desejavam uma bateria que pudesse alimentar seu veículo por mais de mil milhas com uma única carga. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Illinois (IIT) e do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) desenvolveram uma bateria de lítio-ar que pode tornar esse sonho uma realidade. O novo design de bateria da equipe também poderá um dia alimentar aviões domésticos e caminhões de longa distância.
O principal novo componente desta bateria de lítio-ar é um eletrólito sólido em vez da variedade líquida usual. As baterias com eletrólitos sólidos não estão sujeitas ao problema de segurança com os eletrólitos líquidos usados em íon-lítio e outros tipos de bateria, que podem superaquecer e pegar fogo.
Mais importante, a química da bateria da equipe com o eletrólito sólido pode potencialmente aumentar a densidade de energia em até quatro vezes acima das baterias, o que se traduz em maior autonomia.
“Por mais de uma década, cientistas em Argonne e em outros lugares têm trabalhado horas extras para desenvolver uma bateria de lítio que faz uso do oxigênio do ar”, disse Larry Curtiss, um Argonne Distinguished Fellow. “A bateria de lítio-ar tem a maior densidade de energia projetada de qualquer tecnologia de bateria considerada para a próxima geração de baterias além do íon-lítio”.
Nos projetos anteriores de lítio-ar, o lítio em um ânodo metálico de lítio se move através de um eletrólito líquido para combinar com o oxigênio durante a descarga, produzindo peróxido de lítio (Li2O2) ou superóxido (LiO2) no cátodo. O peróxido de lítio ou superóxido é então decomposto em seus componentes de lítio e oxigênio durante a carga. Essa sequência química armazena e libera energia sob demanda.
O novo eletrólito sólido da equipe é composto de um material de polímero cerâmico feito de elementos relativamente baratos na forma de nanopartículas. Este novo sólido permite reações químicas que produzem óxido de lítio (Li2O) na alta.
“A reação química do superóxido ou peróxido de lítio envolve apenas um ou dois elétrons armazenados por molécula de oxigênio, enquanto a do óxido de lítio envolve quatro elétrons”, disse Rachid Amine, químico da Argonne. Mais elétrons armazenados significa maior densidade de energia.
O projeto de lítio-ar da equipe é a primeira bateria de lítio-ar que alcançou uma reação de quatro elétrons à temperatura ambiente. Ele também opera com oxigênio fornecido pelo ar do ambiente circundante. A capacidade de funcionar com ar evita a necessidade de tanques de oxigênio para operar, um problema com projetos anteriores.
A equipe empregou muitas técnicas diferentes para estabelecer que uma reação de quatro elétrons estava realmente ocorrendo. Uma técnica chave foi a microscopia eletrônica de transmissão (TEM) dos produtos de descarga na superfície do cátodo, que foi realizada no Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne, uma instalação do usuário do DOE Office of Science. As imagens TEM forneceram informações valiosas sobre o mecanismo de descarga de quatro elétrons.
Células de teste de lítio-ar anteriores sofriam de ciclos de vida muito curtos. A equipe estabeleceu que essa deficiência não é o caso de seu novo projeto de bateria ao construir e operar uma célula de teste para 1.000 ciclos, demonstrando sua estabilidade em cargas e descargas repetidas.
“Com mais desenvolvimento, esperamos que nosso novo design para a bateria de lítio-ar também alcance uma densidade de energia recorde de 1200 watts-hora por quilograma”, disse Curtiss. “Isso é quase quatro vezes melhor do que as baterias de íon-lítio.”
Esta pesquisa foi publicada em uma edição recente da Ciência. Os autores de Argonne incluem Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson e Khalil Amine. Os autores do IIT incluem Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad e Ahmad Mosen Harzandi. E os autores da University of Illinois Chicago incluem Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan e Anh Ngo.
A pesquisa foi financiada pelo DOE Vehicle Technologies Office e pelo Office of Basic Energy Sciences através do Joint Center for Energy Storage Research.
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