Bateria de lítio-ar funciona em ar ambiente pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica

Esquema da bateria de ar-lítio.[Imagem: UIC/Argonne National Laboratories]

Bateria de lítio-ar verdadeira

Um protótipo de bateria de ar-lítio - ou lítio-oxigênio - que funciona no ambiente de ar natural, alcançou um recorde de 750 ciclos de carga e descarga.

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.

"Nosso projeto de bateria de lítio-ar representa uma revolução na comunidade [científica que trabalha com] baterias. Esta primeira demonstração de uma bateria de lítio-ar verdadeira é um passo importante em direção ao que chamamos de baterias 'além dos íons de lítio', mas temos mais trabalho a fazer para comercializá-la," disse Amin Salehi Khojin, que construiu o protótipo com seus colegas da Universidade de Illinois e do Laboratório Nacional Argonne, nos EUA.

Baterias de lítio-ar

Em teoria, as baterias de lítio-ar podem armazenar até cinco vezes mais energia do que as baterias de íons de lítio que alimentam nossos celulares, notebooks e veículos elétricos. Mas vários obstáculos têm impedido seu desenvolvimento rumo às aplicações práticas.

Essas baterias funcionam combinando o lítio presente no anodo com o oxigênio do ar para produzir peróxido de lítio no catodo durante a fase de descarga, ou uso da energia. O peróxido de lítio é depois decomposto em seus componentes de lítio e oxigênio durante a fase de recarregamento.

Infelizmente, os protótipos experimentais dessas baterias de lítio-oxigênio mostraram-se incapazes de funcionar em um ambiente de ar natural devido à oxidação do anodo de lítio e à produção de subprodutos indesejáveis no catodo, que resultam dos íons de lítio se combinando com o dióxido de carbono e o vapor de água do ar. Esses subprodutos formam uma meleca em volta do catodo, que pára de funcionar. Usar tanques de oxigênio puro resolve o problema em laboratório, mas é claro que isso não é uma solução para o uso prático.

Reinventando tudo

Mohammad Asadi e seus colegas superaram esse problema usando uma combinação única de anodo, catodo e eletrólito - os três principais componentes de qualquer bateria - para evitar a oxidação do anodo e o acúmulo de subprodutos que detonam o catodo, o que permitiu que a bateria funcionasse coletando o oxigênio do ar ambiente.

Para isso, o anodo de lítio foi recoberto com uma fina camada de carbonato de lítio, que permite seletivamente que apenas os íons de lítio do anodo entrem no eletrólito, evitando que compostos indesejados cheguem até lá.

O catodo é simplesmente onde o ar entra na bateria, e o padrão tem sido usar um material esponjoso à base de carbono. Asadi revestiu essa estrutura de carbono com um catalisador de dissulfato de molibdênio e usou um eletrólito híbrido feito de líquido iônico e dimetil sulfóxido, um componente comum dos eletrólitos de bateria, que ajudou a facilitar as reações de lítio-oxigênio e minimizar as reações do lítio com outros elementos do ar, o que aumentou muito a eficiência da bateria.

"A revisão arquitetônica completa que fizemos nessa bateria, redesenhando cada parte dela, nos ajudou a ativar as reações que queríamos e a impedir ou bloquear aquelas que acabariam fazendo com que a bateria morresse," disse o professor Khojin.

Os próximos passos envolvem aumentar a robustez e a durabilidade da bateria e desenvolver as técnicas de fabricação do anodo e do catodo para que elas possam sair do laboratório rumo à indústria.

Bibliografia:

A lithium-oxygen battery with a long cycle life in an air-like atmosphere
Mohammad Asadi, Baharak Sayahpour, Pedram Abbasi, Anh T. Ngo, Klas Karis, Jacob R. Jokisaari, Cong Liu, Badri Narayanan, Marc Gerard, Poya Yasaei, Xuan Hu, Arijita Mukherjee, Kah Chun Lau, Rajeev S. Assary, Fatemeh Khalili-Araghi, Robert F. Klie, Larry A. Curtiss, Amin Salehi-Khojin
Nature
Vol.: volume 555, pages 502-506
DOI: 10.1038/nature25984