Lithium-Air: um avanço da bateria explicado

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na busca por baterias menores, mais duradouras e mais poderosas, os cientistas tentaram muitas abordagens alternativas à química da bateria. Um deles pode ter produzido a descoberta que estamos à espera.

A lenda urbana é que houve um pequeno vazamento em uma célula bateria que o químico K M Abraham estava testando em seu laboratório em 1995, que forneceu à célula um conteúdo de energia muito maior do que o esperado. Ao invés de tentar consertar o vazamento, Abraham investigou e descobriu a primeira bateria recarregável de lítio-ar (Li-air). Até agora esta descoberta não levou a nenhum produto tecnicamente viável, mas um artigo publicado em Ciência de um grupo de pesquisa da Universidade de Cambridge pode estar prestes a mudar isso.

em 2008, Tesla surpreendeu os observadores da indústria com seu ousado, carro de Roadster elétrico que funcionava em baterias de Íon lítio (Li-ion), o tipo de energia que tudo, desde smartphones a laptops para câmeras e brinquedos. Desde então, não só o mercado de veículos elétricos cresceu rapidamente, como também a gama média de baterias que os alimentam. No entanto, o crescimento tem de acelerar: a partir de 1994, foram necessários 20 anos para triplicar o conteúdo energético de uma bateria Li-iónica típica.

A nova pesquisa, liderada pelos professores Gunwoo Kim e Clare Grey, experimentou com células Li-air que usam apenas um condutor de elétrons, como carbono leve, poroso, em vez de um óxido metálico tipicamente usado em uma bateria Li-íon. Praticamente falando, isso economiza muito peso, mas traz suas próprias dificuldades.

Como as baterias De Lítio-ar funcionam

Uma célula de Li-ar cria tensão a partir da disponibilidade de moléculas de Oxigênio (O2) no eletrodo positivo. O2 reage com os íons de lítio carregados positivamente para formar peróxido de lítio (Li2O2) e gerar energia elétrica. Elétrons são retirados do eletrodo e tal bateria está vazia (descarregada) se não mais Li2O2 pode ser formada.

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Teoricamente, uma bateria Li-ar a bateria está vazia (descarregada) quando todos os poros do eletrodo positivo (lado direito) são preenchidos com peróxido de lítio, mostrado aqui enchimento de cima para baixo. O autor forneceu

no entanto, Li2O2 é um condutor de elétrons muito ruim. Se depósitos de Li2O2 crescem na superfície do eletrodo que fornece os elétrons para a reação, ele amortece e, eventualmente, mata a reação, e, portanto, a energia da bateria. Este problema pode ser superado se o produto de reação (peróxido de lítio neste caso) é armazenado perto do eletrodo, mas não o cobre.

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the Cambridge researchers found a recipe that does exactly that – using a standard electrolite mixture and adding lithium iodide (LI) as an additive. O experimento da equipe também inclui um eletrodo bastante esponjoso feito de muitas camadas finas de grafeno cheio de poros grandes. O último ingrediente importante é uma pequena quantidade de água.com esta combinação de produtos químicos, a reacção à medida que as descargas da bateria não formam o Li2O2 que provocaria a subida da superfície condutora do eléctrodo (ver imagem abaixo, lado esquerdo). Em vez disso, incorpora hidrogênio retirado da água (H2O) para formar cristais de hidróxido de lítio (LiOH). Estes cristais enchem o tamanho dos poros do eletrodo de carbono fofo, mas crucialmente eles não cobrem e bloqueiam a superfície vital de carbono que está gerando o fornecimento de voltagem (lado direito). Assim, a presença de iodeto de lítio como “facilitador” (embora seu papel exato ainda não seja claro) e água como co-reagente no processo aumenta a capacidade da bateria de Li-air.

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Li-ar baterias de lítio de peróxido (esquerda, bloqueando o eletrodo de carbono) e hidróxido de lítio (para a direita, com eletrodo desbloqueado) como descarga de produtos. Note que a estrutura dos poros do eletrodo não é desenhada por simplicidade. Autor fornecido

Como vai Li-Air mudar as coisas?este processo que garante que a superfície do eletrodo é mantida limpa é essencial para aumentar a capacidade da bateria. No entanto, o inconveniente é que a mesma falta de contacto eléctrico entre o eléctrodo e o produto de descarga que aumenta a sua capacidade deve, em princípio, dificultar a recarga.

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Mais uma vez, acontece que o aditivo de iodeto de lítio é o ingrediente em falta necessário: no eletrodo, iões de iodeto carregados negativamente são convertidos em i3 (triiodeto) ions (ver imagem, lado direito). Estes se combinam com os cristais de LiOH e se dissolvem, permitindo uma recarga completa limpando os poros.

recarregando baterias Li-air. À esquerda: o peróxido de lítio tem de ser removido da superfície de carbono. Direito: ciclo de iodeto e triiodeto, onde o triiodeto dissolve quimicamente o hidróxido de lítio, libertando os elementos para que possam ser re-combinados novamente para produzir eletricidade. Author provided

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de facto, este mecanismo é ainda mais eficaz do que a recarga de Li2O2 ligada à superfície do eléctrodo. Uma vez que os elétrons não precisam viajar através de uma camada Li2O2, menos tensão é necessária para recarregar uma bateria de Li-ar com o aditivo de iodo do que sem ele. Assim, é necessária menos energia para recarregar a bateria, o que tornaria um carro elétrico funcionando com uma bateria de Li-air mais eficiente em termos de energia. Os autores do estudo apresentam dados que se aproximam de uma eficiência energética de cerca de 90% – o que aproxima esta nova tecnologia de bateria da das baterias convencionais de íon Li.as suas conclusões revelam um caminho promissor para a tecnologia Li-air, numa altura em que muitos outros grupos de investigação desistiram. À medida que mais pesquisadores retornam ao assunto após este avanço, talvez uma bateria Li-air comercial finalmente se tornará realidade.

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Harry Hoster, Director of Energy Lancaster and Professor of Physical Chemistry, Lancaster University

Este artigo foi originalmente publicado na conversa. Leia o artigo original.

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