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Muitos proprietários de veículos elétricos se preocupam com a eficácia de suas baterias em climas muito frios. Agora, uma nova química de bateria pode ter resolvido esse problema.
Nas atuais baterias de íons de lítio, o principal problema está no eletrólito líquido. Este componente chave da bateria transfere partículas de carga chamadas íons entre os dois eletrodos da bateria, fazendo com que a bateria carregue e descarregue. Mas o líquido começa a congelar em temperaturas abaixo de zero. Essa condição limita severamente a eficácia do carregamento de veículos elétricos em regiões e estações frias.
Para resolver esse problema, uma equipe de cientistas dos laboratórios nacionais Argonne e Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) desenvolveu um eletrólito contendo flúor que funciona bem mesmo em temperaturas abaixo de zero.
“Nossa equipe não apenas encontrou um eletrólito anticongelante cujo desempenho de carregamento não diminui a menos 4 graus Fahrenheit, mas também descobriu, no nível atômico, o que o torna tão eficaz”, disse Zhengcheng “John” Zhang, químico sênior e membro do grupo líder na divisão de Ciências Químicas e Engenharia de Argonne.
Este eletrólito de baixa temperatura mostra a promessa de trabalhar para baterias em veículos elétricos, bem como no armazenamento de energia para redes elétricas e eletrônicos de consumo, como computadores e telefones.
Nas baterias de íon-lítio atuais, o eletrólito é uma mistura de um sal amplamente disponível (hexafluorofosfato de lítio) e solventes de carbonato, como o carbonato de etileno. Os solventes dissolvem o sal para formar um líquido.
Quando uma bateria é carregada, o eletrólito líquido transporta os íons de lítio do cátodo (um óxido contendo lítio) para o ânodo (grafite). Esses íons migram para fora do cátodo e passam pelo eletrólito a caminho do ânodo. Ao serem transportados através do eletrólito, eles ficam no centro de aglomerados de quatro ou cinco moléculas de solvente.
Durante as poucas cargas iniciais, esses aglomerados atingem a superfície do ânodo e formam uma camada protetora chamada interfase sólido-eletrólito. Uma vez formada, esta camada age como um filtro. Ele permite que apenas os íons de lítio passem pela camada enquanto bloqueia as moléculas do solvente. Desta forma, o ânodo é capaz de armazenar átomos de lítio na estrutura do grafite em carga. Após a descarga, as reações eletroquímicas liberam elétrons do lítio que geram eletricidade que pode alimentar veículos.
O problema é que em temperaturas frias, o eletrólito com solventes de carbonato começa a congelar. Como resultado, ele perde a capacidade de transportar íons de lítio para o ânodo durante a carga. Isso ocorre porque os íons de lítio estão fortemente ligados aos aglomerados de solventes. Portanto, esses íons requerem energia muito maior para evacuar seus aglomerados e penetrar na camada de interface do que à temperatura ambiente. Por esse motivo, os cientistas têm procurado um solvente melhor.
A equipe investigou vários solventes contendo flúor. Eles conseguiram identificar a composição que tinha a menor barreira energética para liberar íons de lítio dos aglomerados em temperatura abaixo de zero. Eles também determinaram na escala atômica por que aquela composição particular funcionava tão bem. Dependia da posição dos átomos de flúor dentro de cada molécula de solvente e seu número.
Em testes com células de laboratório, o eletrólito fluorado da equipe manteve a capacidade estável de armazenamento de energia para 400 ciclos de carga e descarga a menos 4 F. Mesmo naquela temperatura abaixo de zero, a capacidade era equivalente à de uma célula com um eletrólito convencional à base de carbonato à temperatura ambiente.
“Nossa pesquisa demonstrou como adaptar a estrutura atômica de solventes de eletrólitos para projetar novos eletrólitos para temperaturas abaixo de zero”, disse Zhang.
O eletrólito anticongelante tem uma propriedade de bônus. É muito mais seguro do que os eletrólitos à base de carbonato que são usados atualmente, pois não pega fogo.
“Estamos patenteando nosso eletrólito de baixa temperatura e mais seguro e agora estamos procurando um parceiro industrial para adaptá-lo a um de seus projetos para baterias de íon-lítio”, disse Zhang.
Esta pesquisa aparece em Materiais Energéticos Avançados. Além de John Zhang, os autores de Argonne são Dong-Joo Yoo, Qian Liu e Minkyu Kim. Os autores do Berkeley Lab são Orion Cohen e Kristin Persson.
Este trabalho foi financiado pelo DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office.
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