Primeira bateria de lítio-oxigênio de estado sólido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/08/2016

O segredo está em manter o oxigênio sempre ligado a compostos sólidos, gerando uma bateria de ar-lítio totalmente selada.
[Imagem: Ju Li Lab/MIT]

Baterias a ar

Pesquisadores do MIT desenvolveram um novo tipo de bateria de lítio-oxigênio - ou lítio-ar - que fornece mais energia e apresenta maior estabilidade do que os protótipos similares criados até agora. E é inteiramente de estado sólido.

As "baterias a ar" - como as de ar-lítio, ar-ferro e ar-silício - capturam o oxigênio atmosférico para gerar uma reação química em seu interior no ciclo de descarregamento, e liberam esse oxigênio de volta na hora do recarregamento.

Em teoria, todas podem ser muito mais eficientes do que a atual geração de baterias de íons de lítio. Na prática, contudo, elas costumam desperdiçar como calor a maior parte da energia que recebem durante o carregamento e ainda têm uma vida útil considerada curta.

Oxigênio em sólidos

Zhi Zhu e seus colegas desenvolveram um novo conceito que eles chamaram de bateria de cátodo de nanolítia - nanolítia é o mesmo que óxido de lítio na forma de nanopartículas.

A reação química entre o lítio e o oxigênio é a mesma que nas demais versões das baterias de ar-lítio, mas essa reação ocorre sem deixar que o oxigênio reverta para sua forma gasosa. Em vez disso, o oxigênio permanece dentro do material sólido - o que é importante para fazer uma bateria selada - e se transforma diretamente entre seus três estados redox, ligando-se seletivamente a três diferentes compostos químicos sólidos: Li₂O, Li₂O₂ e LiO₂.

Isso reduz a perda de tensão - a diferença entre a tensão necessária para recarregar a bateria e a tensão que ela disponibiliza quando carregada - por um fator de cinco, de 1,2 volt para 0,24 volt. Isto significa que apenas 8% da energia usada no recarregamento é perdida na forma de calor. Os protótipos das baterias de ar-lítio construídas até agora perdem até 30% da energia como calor.

Bateria ar-lítio de estado sólido

A abordagem de estado sólido ajudou a superar outro problema das baterias de lítio-ar: Até agora, como o composto químico envolvido na reação de carga e descarga converte oxigênio entre formas gasosas e sólidas, o material passa por grandes mudanças de volume que fazem a bateria inteira trincar, limitando a sua vida útil. Sem a mudança de estado, o novo protótipo é muito mais durável.

O segredo para a nova formulação é a criação de nanopartículas que contêm tanto o lítio quanto o oxigênio na forma de um vidro, firmemente confinados dentro de uma matriz de óxido de cobalto - os pesquisadores chamam essas nanopartículas de nanolítia. Desta forma, as transições entre Li₂O, Li₂O₂ e LiO₂ ocorrem inteiramente no interior do material sólido.

A equipe espera passar da sua prova de conceito para um protótipo prático e pronto para testes reais no prazo de um ano.

Mais tópicos