As baterias de a­on-la­tio possibilitaram os dispositivos eletra´nicos leves, cuja portabilidade agora consideramos natural, bem como a rápida expansão da produção de vea­culos elanãtricos. Mas pesquisadores em todo o mundo continuam a empurrar limites para alcana§ar densidades de energia cada vez maiores - a quantidade de energia que pode ser armazenada em uma determinada massa de material - a fim de melhorar o desempenho dos dispositivos existentes e, potencialmente, permitir novas aplicações, como -range drones e robôs.

Uma abordagem promissora éo uso de eletrodos de metal no lugar do grafite convencional, com maior tensão de carga no ca¡todo. Esses esforços tem sido prejudicados, no entanto, por uma variedade de reações químicas indesejadas que ocorrem com o eletra³lito que separa os eletrodos. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de outros lugares encontrou um novo eletra³lito que supera esses problemas e pode permitir um salto significativo na potaªncia por peso das baterias de próxima geração, sem sacrificar o ciclo de vida.

A pesquisa foi publicada hoje na revista Nature Energy em um artigo dos professores do MIT Ju Li, Yang Shao-Horn e Jeremiah Johnson; pa³s-doutorado Weijiang Xue; e 19 outros no MIT, dois laboratórios nacionais e em outros lugares. Os pesquisadores dizem que a descoberta pode permitir que as baterias de a­on-la­tio, que agora podem armazenar cerca de 260 watts-hora por quilograma, armazenem cerca de 420 watts-hora por quilograma. Isso se traduziria em alcances mais longos para carros elanãtricos emudanças mais duradouras em dispositivos porta¡teis.

As matérias-primas ba¡sicas para esse eletra³lito são baratas (embora um dos compostos intermediários ainda seja caro porque tem uso limitado) e o processo para fazaª-lo ésimples. Portanto, esse avanço poderia ser implementado de forma relativamente rápida, dizem os pesquisadores.

O eletra³lito em si não énovo, explica Johnson, um professor de química. Ele foi desenvolvido hálguns anos por alguns membros desta equipe de pesquisa, mas para uma aplicação diferente. Foi parte de um esfora§o para desenvolver baterias de la­tio-ar, que são vistas como a solução definitiva de longo prazo para maximizar a densidade de energia da bateria. Mas ainda existem muitos obsta¡culos para o desenvolvimento dessas baterias, e essa tecnologia ainda pode estar a anos de distância. Nesse a­nterim, a aplicação desse eletra³lito a baterias de a­on-la­tio com eletrodos de metal acabou sendo algo que pode ser alcana§ado muito mais rapidamente.

A nova aplicação deste material de eletrodo foi encontrada “um tanto acidentalmente”, após ter sido inicialmente desenvolvido hálguns anos por Shao-Horn, Johnson e outros, em um empreendimento colaborativo voltado para o desenvolvimento de baterias de la­tio-ar.

“Ainda não hárealmente nada que permita uma boa bateria recarrega¡vel de la­tio-ar”, diz Johnson. No entanto, “projetamos essas moléculas orga¢nicas que espera¡vamos que pudessem conferir estabilidade, em comparação com os eletra³litos la­quidos existentes que são usados”. Eles desenvolveram três formulações diferentes a  base de sulfonamida, que descobriram ser bastante resistentes a  oxidação e outros efeitos de degradação. Então, trabalhando com o grupo de Li, o pa³s-doutorado Xue decidiu tentar este material com mais ca¡todos padra£o.

O tipo de eletrodo de bateria que eles usam agora com este eletra³lito, um a³xido de na­quel contendo um pouco de cobalto e manganaªs, "éo carro-chefe da indústria de vea­culos elanãtricos de hoje", diz Li, que éprofessor de ciência nuclear e engenharia e ciência de materiais e engenharia .  

Como o material do eletrodo se expande e se contrai anisotropicamente a  medida que écarregado e descarregado, isso pode causar rachaduras e uma quebra no desempenho quando usado com eletra³litos convencionais. Mas em experimentos em colaboração com o Laborata³rio Nacional de Brookhaven, os pesquisadores descobriram que o uso do novo eletra³lito reduziu drasticamente essas degradações de rachaduras por corrosão por tensão.

O problema era que os a¡tomos de metal na liga tendiam a se dissolver no eletra³lito la­quido, perdendo massa e levando a  rachadura do metal. Em contraste, o novo eletra³lito éextremamente resistente a tal dissolução. Olhando para os dados dos testes de Brookhaven, Li diz, foi “meio chocante ver que, se vocêapenas trocar o eletra³lito, todas essas rachaduras desapareceram”. Eles descobriram que a morfologia do material eletrola­tico émuito mais robusta e os metais de transição “simplesmente não tem tanta solubilidade” nesses novos eletra³litos.

Essa foi uma combinação surpreendente, diz ele, porque o material ainda permite a passagem de a­ons de la­tio - o mecanismo essencial pelo qual as baterias são carregadas e descarregadas - enquanto bloqueia a entrada de outros ca¡tions, conhecidos como metais de transição. O acaºmulo de compostos indesejados nasuperfÍcie do eletrodo após muitos ciclos de carga e descarga foi reduzido em mais de dez vezes em comparação com o eletra³lito padra£o.

“O eletra³lito équimicamente resistente a  oxidação de materiais ricos em na­quel de alta energia, evitando a fratura daspartículas e estabilizando o eletrodo positivo durante o ciclo”, diz Shao-Horn, professor de engenharia meca¢nica e ciência e engenharia de materiais. “O eletra³lito também permite a remoção e galvanização esta¡vel e reversa­vel do metal de la­tio, um passo importante para habilitar baterias recarrega¡veis ​​de metal de la­tio com energia duas vezes maior que as baterias de a­on de la­tio de última geração. Esta descoberta ira¡ catalisar mais pesquisas de eletra³litos e projetos de eletra³litos la­quidos para baterias de metal de la­tio rivalizando com eletra³litos de estado sãolido. ”

O pra³ximo passo édimensionar a produção para torna¡-la acessa­vel. “Fazemos isso em uma reação muito fa¡cil a partir de materiais iniciais comerciais prontamente dispona­veis”, diz Johnson. No momento, o composto precursor usado para sintetizar o eletra³lito écaro, mas ele diz: “Acho que se pudermos mostrar ao mundo que este éum a³timo eletra³lito para produtos eletra´nicos de consumo, a motivação para aumentar ainda mais a escala ajudara¡ a baixar o prea§o . ”

Como esta éessencialmente uma substituição “imediata” para um eletra³lito existente e não requer o redesenho de todo o sistema de bateria, Li diz, ela poderia ser implementada rapidamente e comercializada em alguns anos. “Nãoháelementos caros, éapenas carbono e flaºor. Portanto, não élimitado por recursos, éapenas o processo ”, diz ele.

A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e pela National Science Foundation, e fez uso das instalações do Laborata³rio Nacional de Brookhaven e do Laborata³rio Nacional de Argonne.