Brasileiros impulsionam desenvolvimento de baterias de lítio-oxigênio

Com informações do CINE - 11/11/2021

O avanço se baseia em catalisadores que dão a essas baterias promissoras uma melhor eficiência de ciclos e maior durabilidade, sem recorrer a materiais nobres ou de alto custo.
[Imagem: CINE]

Ciclabilidade

Pesquisadores brasileiros deram um passo importante no desenvolvimento dos catalisadores necessários para otimizar o desempenho das baterias de lítio-oxigênio (Li-O₂).

Essas baterias, também conhecidas como "lítio-ar", destacam-se pela sua capacidade de armazenar muito mais energia do que as de íons de lítio atualmente existentes, mas ainda é necessário melhorar a sua ciclabilidade, a quantidade de recargas que a bateria permite e que define sua vida útil.

"Este trabalho contribui para a construção de uma bateria Li-O₂ com melhor eficiência de ciclos e maior durabilidade, sem recorrer a materiais nobres ou de alto custo," resumiu o professor Gustavo Doubek, da Unicamp e do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE).

Baterias de lítio-oxigênio

O funcionamento das baterias de lítio-oxigênio se baseia na reação de íons de lítio com o oxigênio do ar. Quando você usa a eletricidade da bateria, essa reação gera peróxido de lítio (Li₂O₂), entre outros compostos. No momento da recarga, quando a eletricidade está sendo armazenada, os produtos formados se decompõem, aprontando a bateria para novo uso.

O ciclo de carga-descarga se repete e, para que a bateria mantenha um bom desempenho ao longo de muitos ciclos, é fundamental que todo o peróxido de lítio formado se decomponha rapidamente. Por isso, nos últimos anos, várias equipes ao redor do mundo têm dedicado esforços para desenvolver catalisadores que sejam capazes de promover a decomposição do peróxido de lítio e, ao mesmo tempo, reúnam custo relativamente baixo, bom desempenho e boa durabilidade.

Óxidos metálicos da família dos espinélios, baseados em cobalto (Co), manganês (Mn) e alumínio (Al), estão entre os materiais mais promissores para essa aplicação. Esses catalisadores podem ser produzidos por meio de um método simples de duas etapas: Inicialmente, a precipitação de uma solução forma óxidos de cobalto, manganês e alumínio, principalmente da família das hidrocalcitas, que são materiais lamelares, semelhantes a argilas; na segunda etapa, um tratamento térmico a 900 ºC produz os espinélios, que são óxidos metálicos mais compactos.

Esse método simples já tinha sido usado por outra equipe brasileira para produzir catalisadores usados para decompor Li₂O₂ e também H₂O₂ (peróxido de hidrogênio), para aplicação na micropropulsão de satélites. Entretanto, os resultados nem sempre eram reprodutíveis, gerando catalisadores de diversas qualidades e desempenhos.

Foi nesta etapa que os pesquisadores do CINE entraram, tentando otimizar a ciclabilidade das baterias. Para isso, eles se uniram aos colegas do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), que já trabalhavam na aplicação dos catalisadores na propulsão de satélites.

O segredo está no preparo da receita

A equipe começou analisando detalhadamente o método de obtenção dos espinélios, procurando parâmetros que impactassem o desempenho final dos materiais como catalisadores da decomposição de peróxidos.

Eles mudaram, uma a uma, diversas condições da síntese (pH e composição inicial da solução, repouso e lavagem dos precipitados, temperatura do tratamento térmico) e analisaram as características de cada um dos materiais obtidos, principalmente a sua atividade catalítica e a sua resistência mecânica.

Os materiais com as melhores características foram então testados como catalisadores da decomposição de Li₂O₂ em uma bateria de lítio-oxigênio. Para isso, a equipe preparou um cátodo baseado em nanotubos de carbono "decorados" com os catalisadores de espinélio, que são partículas de até 200 nanômetros, e outro cátodo sem espinélio, para fins de comparação.

O cátodo com catalisadores foi capaz de decompor quase todo o peróxido de lítio e melhorou significativamente o desempenho da bateria, não apenas na carga, mas também, inesperadamente, na descarga.

Esse resultado inesperado está agora sendo investigado, mas os resultados obtidos até o momento já demonstram as vantagens dos espinélios como catalisadores para cátodos de baterias de lítio-oxigênio, bem como a importância de controlar os parâmetros no processo de obtenção desses materiais.

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