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A sociedade atual está em transição em massa de combustíveis fósseis para recursos renováveis e baterias elétricas. Apesar da urgência de mudar para métodos mais ecológicos, os principais desafios relacionados à eficiência e sustentabilidade representam um obstáculo a ser superado. Por exemplo, a adoção no mercado de massa de baterias de íon-lítio (Li-ion) para uso em veículos elétricos está sendo prejudicada por suas baixas velocidades de carregamento. Carregamento rápido “extremo” (em que 80% da bateria é carregada em 10 minutos), alta densidade de energia e ciclo de vida são o “santo graal” dos recursos que a indústria automobilística procura em baterias.
A fim de permitir a capacidade de carregamento rápido em baterias, os pesquisadores há muito tentam melhorar a transferência de massa de eletrólitos e a transferência de carga em eletrodos, com extensa pesquisa realizada no primeiro em comparação com o último. Agora, um estudo de uma equipe de pesquisadores, liderado pelo professor Noriyoshi Matsumi, do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), apresenta uma nova abordagem para facilitar o carregamento rápido usando um material aglutinante que promove a intercalação de íons de lítio de material ativo. O material aglutinante leva a uma difusão aprimorada de íons de lítio dessolvatados através da interface de eletrólito sólido (SEI) e dentro do material do ânodo e produz alta condutividade, baixa impedância e boa estabilidade.
A equipe era composta pelo ex-professor Rajashekar Badam, pela pesquisadora de pós-doutorado Anusha Pradhan, pelo ex-aluno de pós-graduação Ryoya Miyairi e pelo aluno de doutorado Noriyuki Takamori da JAIST. Suas descobertas foram publicadas na revista ACS Materials Letters.
“Nossa estratégia atual de usar um polímero de borato de lítio bioderivado como aglutinante de polieletrólito aquoso para melhorar a transferência de carga dentro de eletrodos, como ânodos de grafite, exibe capacidade de carregamento rápido”, afirmam os autores correspondentes Profs. Matsumi e Badam do JAIST.
Embora a maioria das pesquisas sobre baterias seja focada no design de materiais ativos e na melhoria da transferência de massa de eletrólitos, o estudo atual fornece uma abordagem diferente por meio do design de material aglutinante específico que promove a intercalação de íons de lítio do material ativo. “O material aglutinante inclui borato de lítio altamente dissociável, que melhora a difusão de íons de lítio nas matrizes de ânodo. Além disso, este aglutinante pode formar um organoboro SEI, que apresenta resistência interfacial muito baixa quando comparado com células de bateria comuns”, explica o Prof. Matsumi.
O papel dos compostos de boro (como o boro tetracoordenado no aglutinante e o SEI rico em boro) é auxiliar na dessolvatação do Li+ íons diminuindo a energia de ativação de dessolvatação de Li+ da bainha do solvente no SEI. Além disso, com alta difusão e baixa impedância, o sobrepotencial relacionado à transferência de carga na interface é reduzido. “Este é um dos fatores determinantes importantes para o carregamento extremamente rápido”, explica o Dr. Anusha Pradhan do JAIST, que é o primeiro autor do artigo.
Geralmente, quando o carregamento supera a taxa de intercalação, o revestimento de Li ocorre nos eletrodos de grafite. É um processo indesejado que leva à redução da vida útil da bateria e limita a capacidade de carga rápida. Neste estudo, a difusão melhorada de íons através do SEI e dentro dos eletrodos limita a polarização da concentração de Li+ íons – levando à ausência de revestimento em grafite.
Em seu estudo, os pesquisadores não apenas apresentam uma nova estratégia para baterias recarregáveis de taxa extremamente alta e resistência interfacial reduzida, mas também usaram um biopolímero derivado do ácido cafeico. Um composto orgânico à base de plantas, o ácido cafeico é uma fonte de material sustentável e ambientalmente segura. Assim, embora o mercado dessas baterias cresça tremendamente, o uso de recursos de base biológica nessas baterias também reduzirá as emissões de dióxido de carbono.
Destacando as principais habilidades da estrutura usada neste estudo, o Prof. Matsumi acrescenta: “Em estudos futuros, nosso aglutinante também pode ser combinado com materiais ativos carregáveis de alta taxa para permitir um efeito sinérgico adicional na melhoria do desempenho.”
Com o aumento da pesquisa sobre o desempenho da bateria, em breve poderemos esperar opções mais ecológicas na forma como usamos a energia, especialmente no setor de transporte. “Através da tecnologia de bateria recarregável de alta taxa, as pessoas desfrutarão de veículos elétricos e dispositivos móveis convenientes. Como o uso de recursos renováveis manterá a disponibilidade de produtos por muito tempo, independentemente da disponibilidade de recursos fósseis e influências de situações sociais elevadas”, conclui o Prof. .
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