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Engenheiros de Yale buscam melhores baterias de lítio e oxigênio
Pesquisadores de Yale desenvolveram um método que traz Li-O comercializável2 baterias mais próximas da realidade, melhorando tanto o desempenho das baterias quanto a capacidade de estudá-las.
Nos últimos anos, as baterias de lítio-oxigênio intrigaram os pesquisadores com seu potencial. Eles podem armazenar pelo menos duas a três vezes mais energia que as baterias de íons de lítio, que é o padrão atual para produtos eletrônicos de consumo, de modo que os laptops poderiam, teoricamente, funcionar por mais tempo com uma única carga e os carros elétricos percorreriam mais distâncias.
Mas eles ainda não chegaram lá. Por enquanto, Li-O2 as baterias funcionam lentamente e têm vida curta. Para agravar a situação, é difícil ter uma noção de como consertar isso porque descobrir a natureza exata de sua química se mostrou complicado.
Mas pesquisadores do laboratório do Prof. André D. Taylor em Engenharia Química e Ambiental desenvolveram um método que traz Li-O comercializável2 baterias mais próximas da realidade, melhorando tanto o desempenho das baterias quanto a capacidade de estudá-las. Suas descobertas são publicadas on-line em Nano-letras ACS. Won-Hee Ryu, ex-pós-doutorado no laboratório de Taylor e agora professor assistente no Departamento de Engenharia Química e Biológica da Sookmyung Women's University, é o autor principal.
Um dos grandes problemas do Li-O2 baterias é a produção de óxidos e seu efeito no eletrodo. “O que acontece é que os catalisadores na superfície do eletrodo ficam enterrados com o óxido, então não é mais um catalisador eficaz”, disse Taylor. Esses sólidos se acumulam nos eletrodos, onde os catalisadores são colocados, levando à morte prematura da bateria.
Em um estudo prévio, os pesquisadores atenuaram esse efeito inserindo uma membrana porosa não condutora que dispersou os locais do catalisador entre o eletrodo e o separador. Isso evitou que a formação de óxido de lítio se acumulasse nos catalisadores do eletrodo de oxigênio. Os catalisadores no suporte não condutor facilitaram a evolução do oxigênio – uma etapa fundamental na recarga de uma bateria – mesmo quando a formação de óxido está longe do eletrodo.
Mas eles também viram espaço para melhorias. No novo estudo, os pesquisadores substituíram o material da membrana, poliacrilonitrila (PAN), por óxido de alumínio anódico (AAO). Nanopartículas de paládio foram dispersas como sítios catalíticos.
“A fragilidade das membranas AAO permite que elas sejam seccionadas sem destruir a estrutura de poros bem definida, preservando assim a morfologia dos produtos integrados de óxido de lítio”, disse Ryu. “Portanto, a estrutura da membrana AAO oferece uma maneira fácil e eficaz de observar características transversais dos produtos em diferentes estados eletroquímicos e de investigar o mecanismo de crescimento para a reação.”
Com base nessa ideia, os pesquisadores demonstraram que a oxidação é possível a longas distâncias – até 20 micrômetros – do eletrodo.
“PAN é um polímero, então ele pode quebrar se você reciclar”, disse Taylor. “Mas o óxido de alumínio anódico é um óxido muito estável e não provoca reações colaterais inesperadas. Funciona melhor e dá uma perspectiva melhor sobre o que está acontecendo eletroquimicamente no processo.”
A modificação não apenas levou a uma função mais eficiente da célula da bateria, mas permitiu aos pesquisadores examinar a composição dos produtos de descarga e os locais catalíticos usando espectroscopia Raman e de fotoelétrons de raios X.
Para estudos futuros, Taylor disse que tentarão diferentes catalisadores com a membrana AAO e explorarão novos catalisadores de Li-O2 arquiteturas.
Referência: “Uma nova estratégia de design para observar as interações crescimento-evolução do óxido de lítio usando o posicionamento geométrico do catalisador” por Won-Hee Ryu, Forrest S. Gittleson, Jinyang Li, Xiao Tong e André D. Taylor, 21 de junho de 2016, Nano-letras.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00856