Mais uma vez estabelecendo a Universidade de Maryland (UMD) como líder no desenvolvimento de tecnologia de bateria inovadora, uma equipe liderada por pesquisadores da A. James Clark School of Engineering da UMD criou uma bateria de zinco à base de água que é simultaneamente poderosa, recarregável, e intrinsecamente seguro. Um artigo revisado por pares com base na pesquisa foi publicado em 16 de abril na revista de alto impacto Materiais da Natureza .

Junto com colegas do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA (ARL) e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), os engenheiros do UMD combinaram a tecnologia de bateria antiga (zinco metálico) com a nova (eletrólitos de água no sal). Com base nos avanços anteriores do UMD para criar baterias mais seguras usando um novo eletrólito aquoso em vez do eletrólito orgânico inflamável usado em baterias convencionais de íon-lítio, os pesquisadores aumentaram a energia da bateria aquosa adicionando zinco metálico - usado como ânodo da primeira bateria - e seu sal também ao eletrólito.

"Baterias à base de água podem ser cruciais para evitar incêndios em eletrônicos, mas seu armazenamento de energia e capacidade foram limitados - até agora. Pela primeira vez, temos uma bateria que pode competir com as baterias de íon de lítio em densidade de energia, mas sem o risco de explosão ou incêndio, "diz Fei Wang, um associado de pós-doutorado nomeado conjuntamente na Clark School e ARL da UMD, e primeiro autor do artigo.

Os pesquisadores dizem que a nova bateria aquosa de zinco pode eventualmente ser usada não apenas em produtos eletrônicos de consumo, mas também em condições extremas para melhorar o desempenho de veículos essenciais para a segurança, como aqueles usados ​​na indústria aeroespacial, militares, e ambientes oceânicos profundos.

Como um exemplo do poder e segurança da bateria de zinco aquoso, Fei Wang cita os inúmeros incidentes de incêndio de bateria em telefones celulares, laptops, e carros elétricos destacados na cobertura da mídia recente. A nova bateria aquosa de zinco apresentada neste trabalho pode ser a resposta ao apelo por uma química de bateria segura, ao mesmo tempo que mantém as densidades de energia comparáveis ​​ou até mais altas das baterias convencionais de íon-lítio.

Esta bateria de zinco aquosa altamente concentrada também supera outras desvantagens das baterias de zinco convencionais, como a capacidade de suportar apenas ciclos de recarga limitados, crescimento de dendritos (estruturas de cristais semelhantes a árvores) durante o uso e recarga, e consumo sustentado de água, resultando na necessidade de reabastecer regularmente o eletrólito das baterias com água.

"As baterias de zinco existentes são seguras e relativamente baratas de produzir, mas eles não são perfeitos devido ao ciclo de vida ruim e baixa densidade de energia. Superamos esses desafios usando um eletrólito de água com sal, "diz Chunsheng Wang, Professor UMD de engenharia química e biomolecular e autor correspondente do artigo.

Avançar, neste esforço colaborativo, os pesquisadores identificaram a razão fundamental que causa irreversibilidade nas baterias de zinco - um fenômeno observado no uso de baterias recarregáveis, onde a quantidade de carga que uma bateria pode fornecer na tensão nominal diminui com o uso - e encontraram uma nova solução para isso. O segredo era alterar a estrutura da esfera de solvatação do cátion zinco (íons carregados positivamente).

"Como a maioria das moléculas de água no novo eletrólito são fortemente ligadas pelo sal altamente concentrado, a água no eletrólito da bateria de zinco aquoso não evapora em uma célula aberta. Este avanço revoluciona as baterias de zinco-ar, que são alimentados pela oxidação de zinco com oxigênio do ar, como aqueles usados ​​no armazenamento da rede de energia, "acrescenta Chunsheng Wang.

A equipe de pesquisa diz que este avanço na tecnologia da bateria estabelece as bases para pesquisas futuras, e eles estão esperançosos para uma possível comercialização futura.

"As baterias de zinco forneceriam um meio poderoso e barato de armazenamento de energia se pudessem ser recarregáveis. Essa pesquisa descobriu maneiras de controlar quais moléculas no eletrólito circundam os íons que se movem para frente e para trás em uma bateria ao armazenar e liberar energia. Aqui, os co-autores aplicaram esse conhecimento para fazer uma bateria de zinco altamente recarregável que poderia oferecer um baixo custo, alternativa segura para eletrônicos de consumo, carros, e armazenamento da rede elétrica, "diz Joseph Dura, um físico do NIST e co-autor do artigo.

"A descoberta significativa feita neste trabalho tocou o problema central das baterias de zinco aquosas, e pode impactar outras químicas de cátions multivalentes aquosos ou não aquosos que enfrentam desafios semelhantes, como baterias de magnésio e alumínio, "diz Kang Xu, Bolseiro da ARL e autor co-correspondente deste artigo.