Cientistas chineses encontraram uma maneira de tornar as baterias mais eficientes – usando água
Um novo design de bateria à base de água é mais seguro e mais eficiente em termos energéticos do que as tradicionais baterias de iões de lítio, afirmam investigadores chineses.
A bateria de água tem uma vida útil de mais de 1.000 ciclos de carga e descarga, informou a equipe em 23 de abril no jornal Energia da Natureza.
Uma das propriedades mais importantes de qualquer bateria é a densidade de energia – quanta energia a bateria contém em relação ao seu tamanho ou peso. As baterias de íon-lítio têm uma densidade de energia particularmente alta e são amplamente utilizadas em carros elétricos e dispositivos portáteis. No entanto, o componente líquido, conhecido como eletrólito, normalmente contém produtos químicos orgânicos que podem pegar fogo ou explodir se o sistema superaquecer.
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Em contraste, as baterias à base de água são muito mais seguras, mas geralmente têm uma densidade de energia mais baixa graças à estreita janela de tensão em que operam. No entanto, ao hackear a química que ocorre dentro do eletrólito da água, a equipe de Li aumentou drasticamente a densidade de energia e o desempenho geral das baterias aquosas.
As soluções eletrolíticas são, na verdade, uma mistura de muitos produtos químicos diferentes, cada um controlando um aspecto diferente do desempenho da bateria. Aditivos chamados mediadores ajudam a mover os elétrons pela solução, passando por uma série de reações de oxidação e redução (redox).
Para baterias aquosas, o mediador mais comum é o iodo: através de uma sequência de reações redox individuais, esse elemento halogênio pode transferir até seis elétrons por ciclo, convertendo iodeto (I–) em iodato (IO3–). No entanto, taxas de reação lentas e subprodutos indesejados significam que esse aditivo geralmente resulta em uma bateria de baixa densidade energética.
Para melhorar a eficiência desta sequência redox mediadora (e, portanto, a densidade geral de energia), Xianfeng Li da Academia Chinesa de Ciências, e colegas desenvolveram um eletrólito de halogênio misto, contendo íons I– e brometo (Br–) em uma solução ácida. A introdução do bromo, outro elemento halogênio capaz de transferir elétrons, forneceu um trampolim para essa química difícil, aumentando a taxa de reação e suprimindo a formação de subprodutos incômodos.
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Através de análises eletroquímicas e espectroscópicas detalhadas, a equipe demonstrou que os íons brometo participavam das reações redox junto com o iodeto, formando um intermediário vital e aumentando a velocidade e a eficiência da sequência de transferência de elétrons.
Os pesquisadores iniciaram então uma série de experimentos para avaliar o impacto desse eletrólito “hetero-halogênio” no desempenho geral de vários tipos de baterias comuns, usando diferentes materiais como terminais negativos (ânodos).
O novo eletrólito quase dobrou a densidade de energia em comparação com as baterias padrão de íons de lítio quando usado com ânodos de cádmio, que normalmente são encontrados em dispositivos portáteis de alta energia, como ferramentas elétricas. . Entretanto, os sistemas de vanádio, que são frequentemente ligados a centrais eléctricas e geradores de energia renovável para armazenamento de energia na rede, demonstraram vida útil particularmente longa, mantendo o desempenho máximo ao longo de mais de 1.000 ciclos de carga-descarga.
Em ambos os casos, a equipe relatou melhorias na eficiência energética e calculou que o sistema aquoso de hetero-halogênio seria competitivo em termos de custo em comparação com as atuais tecnologias de íons de lítio.
A equipe espera que esta melhoria substancial de desempenho leve a um uso mais amplo de baterias à base de água como uma alternativa mais segura e de alta densidade energética aos sistemas existentes.
