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E se um elemento comum, em vez de escassos e caros, fosse um componente-chave nas baterias de carros elétricos?
Uma colaboração co-liderada por um pesquisador químico da Oregon State University espera desencadear uma revolução nas baterias verdes, mostrando que o ferro em vez de cobalto e níquel pode ser usado como material catódico em baterias de íons de lítio.
As descobertas, publicadas hoje em Avanços da Ciênciasão importantes por vários motivos, observa Xiulei “David” Ji, do estado de Oregon.
“Transformamos a reatividade do ferro metálico, o metal mais barato”, disse ele. “Nosso eletrodo pode oferecer uma densidade de energia mais alta do que os materiais catódicos de última geração em veículos elétricos. E como usamos ferro, cujo custo pode ser inferior a um dólar por quilograma – uma pequena fração de níquel e cobalto, que são indispensáveis nas actuais baterias de iões de lítio de alta energia – o custo das nossas baterias é potencialmente muito mais baixo.”
Atualmente, o cátodo representa 50% do custo de fabricação de uma célula de bateria de íons de lítio, disse Ji. Além da economia, os cátodos à base de ferro permitiriam maior segurança e sustentabilidade, acrescentou.
À medida que mais e mais baterias de iões de lítio são fabricadas para electrificar o sector dos transportes, a procura global de níquel e cobalto disparou. Ji ressalta que em questão de algumas décadas, a escassez prevista de níquel e cobalto freará a produção de baterias, como é feito atualmente.
Além disso, a densidade de energia desses elementos já está a ser alargada até ao seu nível máximo – se fosse empurrada ainda mais, o oxigénio libertado durante o carregamento poderia causar a ignição das baterias – além disso, o cobalto é tóxico, o que significa que pode contaminar ecossistemas e fontes de água se for atingido. lixiviados dos aterros.
Junte tudo isso, disse Ji, e será fácil entender a busca global por produtos químicos para baterias novos e mais sustentáveis.
Uma bateria armazena energia na forma de energia química e, por meio de reações, a converte na energia elétrica necessária para alimentar veículos, bem como celulares, laptops e muitos outros dispositivos e máquinas. Existem vários tipos de baterias, mas a maioria delas funciona da mesma maneira básica e contém os mesmos componentes básicos.
Uma bateria consiste em dois eletrodos – o ânodo e o cátodo, normalmente feitos de materiais diferentes – bem como um separador e um eletrólito, um meio químico que permite o fluxo de carga elétrica. Durante a descarga da bateria, os elétrons fluem do ânodo para um circuito externo e depois se acumulam no cátodo.
Numa bateria de iões de lítio, como o próprio nome sugere, uma carga é transportada através de iões de lítio à medida que estes se movem através do electrólito do ânodo para o cátodo durante a descarga e vice-versa durante a recarga.
“Nosso cátodo baseado em ferro não será limitado pela escassez de recursos”, disse Ji, explicando que o ferro, além de ser o elemento mais comum na Terra medido pela massa, é o quarto elemento mais abundante na crosta terrestre. . “Não ficaremos sem ferro até que o Sol se transforme numa gigante vermelha.”
Ji e colaboradores de várias universidades e laboratórios nacionais aumentaram a reatividade do ferro em seu cátodo ao projetar um ambiente químico baseado em uma mistura de ânions de flúor e fosfato – íons com carga negativa.
A mistura, completamente misturada como uma solução sólida, permite a conversão reversível – o que significa que a bateria pode ser recarregada – de uma mistura fina de pó de ferro, fluoreto de lítio e fosfato de lítio em sais de ferro.
“Demonstramos que o design de materiais com ânions pode quebrar o limite máximo de densidade de energia para baterias que são mais sustentáveis e custam menos”, disse Ji. “Não estamos usando sal mais caro em conjunto com ferro – apenas aqueles que a indústria de baterias tem usado e depois pó de ferro. Para colocar este novo cátodo em aplicações, não é preciso mudar mais nada – nem novos ânodos, nem novas linhas de produção, sem novo design da bateria. Estamos apenas substituindo uma coisa, o cátodo.”
A eficiência do armazenamento ainda precisa ser melhorada, disse Ji. No momento, nem toda a eletricidade colocada na bateria durante o carregamento está disponível para uso após a descarga. Quando essas melhorias forem feitas, e Ji espera que sejam, o resultado será uma bateria que funciona muito melhor do que as atualmente em uso, custando menos e sendo mais ecológica.
“Se houver investimento nesta tecnologia, não demorará muito para que ela esteja disponível comercialmente”, disse Ji. “Precisamos que os visionários da indústria aloquem recursos para este campo emergente. O mundo pode ter uma indústria de cátodo baseada num metal que é quase gratuito em comparação com o cobalto e o níquel. E embora seja necessário trabalhar muito para reciclar o cobalto e o níquel, você nem precisa reciclar o ferro – ele apenas vira ferrugem se você deixá-lo ir.”
O programa de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA financiou esta pesquisa, que foi co-liderada por Tongchao Liu do Laboratório Nacional de Argonne e também incluiu Mingliang Yu, Min Soo Jung e Sean Sandstrom do estado de Oregon. Cientistas da Universidade Vanderbilt, da Universidade de Stanford, da Universidade de Maryland, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC também contribuíram.
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