Novo design para lítio

Novas baterias poderão um dia alimentar carros, aviões, caminhões

DOE/Laboratório Nacional de Argonne

imagem: O esquema mostra uma célula de bateria de lítio-ar que consiste em ânodo de metal de lítio, cátodo à base de ar e eletrólito de polímero cerâmico sólido (CPE). Na descarga e na carga, os íons de lítio (Li+) vão do ânodo para o cátodo e depois voltam.Veja mais

Crédito: (Imagem do Argonne National Laboratory.)

Muitos proprietários de carros elétricos desejavam uma bateria que pudesse alimentar seu veículo por mais de mil quilômetros com uma única carga. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Illinois (IIT) e do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma bateria de lítio-ar que poderia tornar esse sonho uma realidade. O novo design de bateria da equipe também poderá um dia alimentar aviões domésticos e caminhões de longo curso.

O principal novo componente desta bateria de lítio-ar é um eletrólito sólido em vez da variedade líquida usual. As baterias com eletrólitos sólidos não estão sujeitas ao problema de segurança dos eletrólitos líquidos usados ​​em íons de lítio e outros tipos de baterias, que podem superaquecer e pegar fogo.

“A bateria de lítio-ar tem a maior densidade de energia projetada de qualquer tecnologia de bateria considerada para a próxima geração de baterias além do íon de lítio.” - Larry Curtiss, bolsista ilustre da Argonne

Mais importante ainda, a equipea química da bateria com o eletrólito sólido pode potencialmente aumentar a densidade de energia em até quatro vezes acima das baterias de íon-lítio, o que se traduz em maior autonomia de condução.

“Por mais de uma década, os cientistas de Argonne e de outros lugares têm trabalhado horas extras para desenvolver uma bateria de lítio que faça uso do oxigênio do ar”, disse Larry Curtiss, um bolsista ilustre de Argonne. "A bateria de lítio-ar tem a maior densidade de energia projetada de qualquer tecnologia de bateria considerada para a próxima geração de baterias além das de íon de lítio."

Em projetos anteriores de lítio-ar, o lítio em um ânodo metálico de lítio se move através de um eletrólito líquido para se combinar com o oxigênio durante a descarga, produzindo peróxido de lítio (Li2O2) ou superóxido (LiO2) no cátodo. O peróxido ou superóxido de lítio é então decomposto em seus componentes de lítio e oxigênio durante a carga. Esta sequência química armazena e libera energia sob demanda.

O novo eletrólito sólido da equipe é composto de um material polimérico cerâmico feito de elementos relativamente baratos na forma de nanopartículas. Este novo sólido permite reações químicas que produzem óxido de lítio (Li2O) na descarga.

“A reação química do superóxido ou peróxido de lítio envolve apenas um ou dois elétrons armazenados por molécula de oxigênio, enquanto a do óxido de lítio envolve quatro elétrons”, disse o químico de Argonne, Rachid Amine. Mais elétrons armazenados significa maior densidade de energia.

O projeto de lítio-ar da equipe é a primeira bateria de lítio-ar que alcançou uma reação de quatro elétrons à temperatura ambiente. Também opera com oxigênio fornecido pelo ar do ambiente circundante. A capacidade de funcionar com ar evita a necessidade de tanques de oxigênio para operar, um problema com projetos anteriores.

A equipe empregou muitas técnicas diferentes para estabelecer que uma reação de quatro elétrons estava realmente ocorrendo. Uma técnica chave foi a microscopia eletrônica de transmissão (TEM) dos produtos de descarga na superfície do cátodo, que foi realizada no Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne, uma instalação de usuário do DOE Office of Science. As imagens TEM forneceram informações valiosas sobre o mecanismo de descarga de quatro elétrons.

As células de teste anteriores de lítio-ar sofriam de ciclos de vida muito curtos. A equipe estabeleceu que esta deficiência não se aplica ao seu novo projeto de bateria, construindo e operando uma célula de teste por 1.000 ciclos, demonstrando sua estabilidade ao longo de cargas e descargas repetidas.

“Com um maior desenvolvimento, esperamos que nosso novo design para a bateria de lítio-ar também atinja uma densidade de energia recorde de 1.200 watts-hora por quilograma”, disse Curtiss. "Isso é quase quatro vezes melhor do que as baterias de íons de lítio."