Nas últimas décadas, a pesquisa de baterias se concentrou amplamente em baterias recarregáveis ??de íons de lítio, que são usadas em tudo, desde carros elétricos a eletrônicos portáteis, e melhoraram drasticamente em termos de acessibilidade e capacidade. Mas as baterias não recarregáveis ??tiveram pouca melhoria durante esse período, apesar de seu papel crucial em muitos usos importantes, como dispositivos médicos implantáveis, como marca-passos.

Agora, pesquisadores do MIT encontraram uma maneira de melhorar a densidade de energia dessas baterias não recarregáveis, ou “primárias”. Eles dizem que isso pode permitir um aumento de até 50% na vida útil ou uma diminuição correspondente no tamanho e peso para uma determinada quantidade de energia ou capacidade de energia, além de melhorar a segurança, com pouco ou nenhum aumento no custo.

As novas descobertas, que envolvem a substituição do eletrólito convencionalmente inativo da bateria por um material ativo para entrega de energia, são relatadas hoje na revista Proceedings of the National Academy of Sciences , em um artigo do MIT Kavanaugh Postdoctoral Fellow Haining Gao, estudante de pós-graduação Alejandro Sevilla, professor associado de engenharia mecânica Betar Gallant, e quatro outros do MIT e Caltech.

Substituir a bateria em um marcapasso ou outro implante médico requer um procedimento cirúrgico, portanto, qualquer aumento na longevidade de suas baterias pode ter um impacto significativo na qualidade de vida do paciente, diz Gallant. As baterias primárias são usadas para essas aplicações essenciais porque podem fornecer cerca de três vezes mais energia para um determinado tamanho e peso do que as baterias recarregáveis.

Essa diferença de capacidade, diz Gao, torna as baterias primárias “críticas para aplicações onde o carregamento não é possível ou impraticável”. Os novos materiais funcionam à temperatura do corpo humano, por isso seriam adequados para implantes médicos. Além de dispositivos implantáveis, com desenvolvimento adicional para fazer com que as baterias funcionem eficientemente em temperaturas mais baixas, as aplicações também podem incluir sensores em dispositivos de rastreamento para remessas, por exemplo, para garantir que os requisitos de temperatura e umidade para remessas de alimentos ou medicamentos sejam mantidos adequadamente durante todo o transporte. processo. Ou podem ser usados ??em veículos aéreos ou submarinos operados remotamente que precisam permanecer prontos para implantação por longos períodos.

As baterias do marcapasso geralmente duram de cinco a 10 anos, e ainda menos se exigirem funções de alta tensão, como desfibrilação. No entanto, para essas baterias, diz Gao, a tecnologia é considerada madura e “não houve grandes inovações em química de células fundamentais nos últimos 40 anos”.

A chave para a inovação da equipe é um novo tipo de eletrólito – o material que fica entre os dois pólos elétricos da bateria, o cátodo e o ânodo, e permite que os portadores de carga passem de um lado para o outro. Usando um novo composto líquido fluorado, a equipe descobriu que poderia combinar algumas das funções do cátodo e do eletrólito em um composto, chamado católito. Isso permite economizar muito do peso das baterias primárias típicas, diz Gao.

Embora existam outros materiais além desse novo composto que teoricamente poderiam funcionar em um papel católito semelhante em uma bateria de alta capacidade, explica Gallant, esses materiais têm voltagens inerentes mais baixas que não correspondem às do restante do material em uma bateria de marcapasso convencional , um tipo conhecido como CF x . Como a saída geral da bateria não pode ser maior que a do menor dos dois materiais de eletrodo, a capacidade extra seria desperdiçada devido à incompatibilidade de voltagem. Mas com o novo material, “um dos principais méritos de nossos líquidos fluorados é que sua voltagem se alinha muito bem com a do CF x ”, diz Gallant.

Em uma bateria CF x convencional , o eletrólito líquido é essencial porque permite que partículas carregadas passem de um eletrodo para o outro. Mas “esses eletrólitos são, na verdade, quimicamente inativos, então eles são basicamente um peso morto”, diz Gao. Isso significa que cerca de 50% dos principais componentes da bateria, principalmente o eletrólito, são materiais inativos. Mas no novo design com o material católito fluorado, a quantidade de peso morto pode ser reduzida para cerca de 20%, diz ela.

As novas células também fornecem melhorias de segurança em relação a outros tipos de produtos químicos propostos que usariam materiais católitos tóxicos e corrosivos, o que sua fórmula não faz, diz Gallant. E testes preliminares demonstraram uma vida útil estável por mais de um ano, uma característica importante para baterias primárias, diz ela.

Até agora, a equipe ainda não alcançou experimentalmente a melhoria total de 50% na densidade de energia prevista por sua análise. Eles demonstraram uma melhoria de 20%, o que por si só seria um ganho importante para algumas aplicações, diz Gallant. O design da própria célula ainda não foi totalmente otimizado, mas os pesquisadores podem projetar o desempenho da célula com base no desempenho do próprio material ativo. “Podemos ver que o desempenho projetado no nível da célula quando ampliado pode atingir cerca de 50% mais alto do que a célula CF x ”, diz ela. Alcançar esse nível experimentalmente é o próximo objetivo da equipe.

Sevilla, estudante de doutorado no departamento de engenharia mecânica, estará se concentrando nesse trabalho no próximo ano. “Fui trazido para este projeto para tentar entender algumas das limitações de por que não conseguimos atingir a densidade de energia total possível”, diz ele. “Meu papel tem sido tentar preencher as lacunas em termos de compreensão da reação subjacente.”

Uma grande vantagem do novo material, diz Gao, é que ele pode ser facilmente integrado aos processos de fabricação de baterias existentes, como uma simples substituição de um material por outro. Discussões preliminares com fabricantes confirmam essa substituição potencialmente fácil, diz Gao. A matéria-prima básica, usada para outros fins, já foi ampliada para produção, diz ela, e seu preço é comparável ao dos materiais usados ??atualmente em CF xbaterias. O custo das baterias que usam o novo material provavelmente também será comparável às baterias existentes, diz ela. A equipe já solicitou uma patente do católito e espera que as aplicações médicas sejam provavelmente as primeiras a serem comercializadas, talvez com um protótipo em escala real pronto para testes em dispositivos reais dentro de cerca de um ano.

Mais adiante, outras aplicações provavelmente também podem aproveitar os novos materiais, como medidores inteligentes de água ou gás que podem ser lidos remotamente, ou dispositivos como transponders EZPass, aumentando sua vida útil, dizem os pesquisadores. A energia para aeronaves drones ou veículos submarinos exigiria maior potência e, portanto, pode levar mais tempo para ser desenvolvida. Outros usos podem incluir baterias para equipamentos usados ??em locais remotos, como plataformas de perfuração de petróleo e gás, incluindo dispositivos enviados aos poços para monitorar as condições.

A equipe também incluiu Gustavo Hobold, Aaron Melemed e Rui Guo no MIT e Simon Jones no Caltech. O trabalho foi apoiado pelo MIT Lincoln Laboratory e pelo Army Research Office.