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Os metais são normalmente usados como materiais ativos para eletrodos negativos em baterias. Recentemente, moléculas orgânicas redox-ativas, como moléculas à base de quinona e amina, têm sido usadas como eletrodos negativos em baterias recarregáveis de metal-ar com eletrodos positivos redutores de oxigênio. Aqui, prótons e íons hidróxido participam das reações redox. Tais baterias apresentam alto desempenho, próximo da capacidade máxima teoricamente possível. Além disso, o uso de moléculas orgânicas redox-ativas em baterias de ar recarregáveis supera os problemas associados aos metais, incluindo a formação de estruturas chamadas ‘dendritos’, que afetam o desempenho da bateria e têm um impacto ambiental negativo. No entanto, essas baterias usam eletrólitos líquidos – assim como as baterias à base de metal – que apresentam grandes preocupações de segurança, como alta resistência elétrica, efeitos de lixiviação e inflamabilidade.
Agora, em um novo estudo publicado na Angewandte Chemie Edição Internacional em 2 de maio de 2023, um grupo de pesquisadores japoneses desenvolveu uma bateria de ar recarregável totalmente em estado sólido (SSAB) e investigou sua capacidade e durabilidade. O estudo foi liderado pelo professor Kenji Miyatake, da Universidade de Waseda e da Universidade de Yamanashi, e co-autoria do professor Kenichi Oyaizu, da Universidade de Waseda.
Os pesquisadores escolheram uma substância química chamada 2,5-diidroxi-1,4-benzoquinona (DHBQ) e seu polímero poli(2,5-diidroxi-1,4-benzoquinona-3,6-metileno) (PDBM) como materiais ativos para o eletrodo negativo devido às suas reações redox estáveis e reversíveis em condições ácidas. Além disso, eles utilizaram um polímero condutor de prótons chamado Nafion como eletrólito sólido, substituindo assim os eletrólitos líquidos convencionais. “Até onde eu sei, nenhuma bateria de ar baseada em eletrodos orgânicos e eletrólito de polímero sólido foi desenvolvida ainda”, diz Miyatake.
Depois que o SSAB foi instalado, os pesquisadores avaliaram experimentalmente seu desempenho de carga e descarga, características de taxa e ciclabilidade. Eles descobriram que, ao contrário das baterias de ar típicas que usam um eletrodo negativo metálico e um eletrólito líquido orgânico, o SSAB não se deteriorou na presença de água e oxigênio. Além disso, a substituição da molécula redox-ativa DHBQ por sua contraparte polimérica PDBM formou um eletrodo negativo melhor. Enquanto a capacidade de descarga por grama do SSAB-DHBQ era de 29,7 mAh, o valor correspondente do SSAB-PDBM era de 176,1 mAh, a uma densidade de corrente constante de 1 mAcm-2.
Os pesquisadores também descobriram que a eficiência coulômbica do SSAB-PDBM foi de 84% na taxa de 4 C, que diminuiu gradualmente para 66% na taxa de 101C. Enquanto a capacidade de descarga do SSAB-PDBM foi reduzida para 44% após 30 ciclos, ao aumentar o conteúdo de polímero condutor de prótons do eletrodo negativo, os pesquisadores puderam melhorá-la significativamente para 78%. Imagens de microscopia eletrônica confirmaram que a adição de Nafion melhorou o desempenho e a durabilidade do eletrodo baseado em PDBM.
Este estudo demonstra a operação bem-sucedida de um SSAB compreendendo moléculas orgânicas redox-ativas como eletrodo negativo, um polímero condutor de prótons como eletrólito sólido e um eletrodo positivo do tipo difusão redutor de oxigênio. Os pesquisadores esperam que isso abra caminho para novos avanços. “Essa tecnologia pode prolongar a vida útil da bateria de pequenos dispositivos eletrônicos, como smartphones e, eventualmente, contribuir para a realização de uma sociedade livre de carbono,” conclui Miyatake.
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