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Uma equipe de pesquisa multi-institucional liderada por Hailong Chen, da Georgia Tech, desenvolveu um novo cátodo de baixo custo que pode melhorar radicalmente as baterias de íons de lítio (LIBs) — potencialmente transformando o mercado de veículos elétricos (VE) e sistemas de armazenamento de energia em larga escala.
“Por muito tempo, as pessoas têm procurado uma alternativa de menor custo e mais sustentável aos materiais de cátodo existentes. Acho que temos uma”, disse Chen, um professor associado com nomeações na George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e na School of Materials Science and Engineering.
O material revolucionário, cloreto de ferro (FeCl3), custa apenas 1-2% dos materiais de cátodo típicos e pode armazenar a mesma quantidade de eletricidade. Os materiais de cátodo afetam a capacidade, energia e eficiência, desempenhando um papel importante no desempenho, na vida útil e na acessibilidade de uma bateria.
“Nosso cátodo pode mudar o jogo”, disse Chen, cuja equipe descreve seu trabalho em Natureza Sustentabilidade“Isso melhoraria muito o mercado de veículos elétricos — e todo o mercado de baterias de íons de lítio.”
Comercializados pela primeira vez pela Sony no início dos anos 1990, os LIBs desencadearam uma explosão em eletrônicos pessoais, como smartphones e tablets. A tecnologia eventualmente avançou para abastecer veículos elétricos, fornecendo uma fonte de energia confiável, recarregável e de alta densidade. Mas, diferentemente dos eletrônicos pessoais, os usuários de energia em larga escala, como os EVs, são especialmente sensíveis ao custo dos LIBs.
As baterias são atualmente responsáveis por cerca de 50% do custo total de um EV, o que torna esses carros de energia limpa mais caros do que seus primos de combustão interna, que emitem gases de efeito estufa. A invenção da equipe de Chen pode mudar isso.
Construindo uma bateria melhor
Comparadas às baterias alcalinas e de chumbo-ácido antigas, as LIBs armazenam mais energia em um pacote menor e alimentam um dispositivo por mais tempo entre as cargas. Mas as LIBs contêm metais caros, incluindo elementos semipreciosos como cobalto e níquel, e têm um alto custo de fabricação.
Até agora, apenas quatro tipos de cátodos foram comercializados com sucesso para LIBs. O de Chen seria o quinto, e representaria um grande passo à frente na tecnologia de baterias: o desenvolvimento de um LIB totalmente de estado sólido.
LIBs convencionais usam eletrólitos líquidos para transportar íons de lítio para armazenar e liberar energia. Eles têm limites rígidos sobre quanta energia pode ser armazenada, e podem vazar e pegar fogo. Mas LIBs totalmente de estado sólido usam eletrólitos sólidos, aumentando drasticamente a eficiência e a confiabilidade de uma bateria e tornando-a mais segura e capaz de reter mais energia. Essas baterias, ainda em fase de desenvolvimento e testes, seriam uma melhoria considerável.
À medida que pesquisadores e fabricantes em todo o planeta correm para tornar a tecnologia de estado sólido prática, Chen e seus colaboradores desenvolveram uma solução acessível e sustentável. Com o cátodo FeCl3, um eletrólito sólido e um ânodo de lítio metálico, o custo de todo o sistema de bateria é de 30-40% dos LIBs atuais.
“Isso não só poderia tornar os EVs muito mais baratos do que os carros de combustão interna, mas também forneceria uma nova e promissora forma de armazenamento de energia em larga escala, aumentando a resiliência da rede elétrica”, disse Chen. “Além disso, nosso cátodo melhoraria muito a sustentabilidade e a estabilidade da cadeia de suprimentos do mercado de EVs.”
Início sólido para uma nova descoberta
O interesse de Chen em FeCl3 como um material de cátodo originou-se com a pesquisa de seu laboratório em materiais de eletrólitos sólidos. A partir de 2019, seu laboratório tentou fazer baterias de estado sólido usando eletrólitos sólidos à base de cloreto com cátodos comerciais tradicionais à base de óxido. Não deu certo — os materiais de cátodo e eletrólito não se deram bem.
Os pesquisadores pensaram que um cátodo à base de cloreto poderia proporcionar um melhor emparelhamento com o eletrólito de cloreto para oferecer melhor desempenho da bateria.
“Encontramos um candidato (FeCl3) que vale a pena tentar, pois sua estrutura cristalina é potencialmente adequada para armazenar e transportar íons de Li e, felizmente, funcionou como esperávamos”, disse Chen.
Atualmente, os cátodos mais usados em EVs são óxidos e exigem uma quantidade gigantesca de níquel e cobalto caros, elementos pesados que podem ser tóxicos e representar um desafio ambiental. Em contraste, o cátodo da equipe de Chen contém apenas ferro (Fe) e cloro (Cl) — elementos abundantes, acessíveis e amplamente usados encontrados em aço e sal de cozinha.
Em seus testes iniciais, o FeCl3 foi considerado tão bom ou melhor do que os outros catodos muito mais caros. Por exemplo, ele tem uma voltagem operacional mais alta do que o cátodo popularmente usado LiFePO4 (fosfato de ferro-lítio, ou LFP), que é a força elétrica que uma bateria fornece quando conectada a um dispositivo, semelhante à pressão da água de uma mangueira de jardim.
Essa tecnologia pode estar a menos de cinco anos da viabilidade comercial em EVs. Por enquanto, a equipe continuará investigando FeCl3 e materiais relacionados, de acordo com Chen. O trabalho foi liderado por Chen e pelo pós-doutorado Zhantao Liu (o autor principal do estudo). Os colaboradores incluíram pesquisadores da Woodruff School (Ting Zhu) e da School of Earth and Atmospheric Sciences (Yuanzhi Tang) da Georgia Tech, bem como do Oak Ridge National Laboratory (Jue Liu) e da University of Houston (Shuo Chen).
“Queremos tornar os materiais o mais perfeitos possível no laboratório e entender os mecanismos de funcionamento subjacentes”, disse Chen. “Mas estamos abertos a oportunidades de escalar a tecnologia e empurrá-la para aplicações comerciais.”
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