Os pesquisadores estão progredindo no desenvolvimento de baterias recarregáveis ​​à base de potássio, uma alternativa potencial ao lítio que é menos cara e muito mais abundante, e também mostraram como derivar carbono para eletrodos de bateria de pneus velhos.

“Com o crescimento das baterias recarregáveis ​​para aparelhos eletrônicos, veículos elétricos e aplicações de rede de energia, tem havido uma preocupação crescente com a sustentabilidade e o custo do lítio, "disse Vilas G. Pol, professor associado da Davidson School of Chemical Engineering na Purdue University. "Na última década, tem havido rápido progresso na investigação de baterias de íons metálicos além do lítio, como sódio e potássio. "

Por causa de sua maior abundância e menor custo, o potássio é promissor para o armazenamento de eletricidade em grande escala na rede elétrica.

“A energia intermitente gerada a partir da energia solar e eólica requer novos sistemas de armazenamento de energia para a rede, "Pol disse." No entanto, a disponibilidade global limitada de recursos de lítio e o alto custo de extração dificultam a aplicação de baterias de íon-lítio para esse armazenamento de energia em larga escala. Isso exige dispositivos alternativos de armazenamento de energia baseados em elementos abundantes na terra. "

O potássio é cerca de oito vezes mais abundante que o lítio e um décimo do custo, ele disse.

Três artigos de pesquisa sobre o trabalho da bateria de íon potássio foram publicados este mês, em colaborações com o Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA e a Universidade Nacional Cheng Kung em Taiwan.

“Iniciamos este programa há quase um ano, e não há muitos grupos no mundo trabalhando em baterias de íon de potássio, "Pol disse.

Os três artigos foram publicados em Materiais e interfaces aplicados ACS , Comunicações Químicas e a Journal of the Electrochemical Society .

Em um jornal, os pesquisadores descrevem um novo design usando nanofibras de carbono como ânodo. As baterias têm dois eletrodos, chamado de ânodo e cátodo. Os ânodos da maioria das baterias de íon-lítio atuais são feitos de grafite. Os íons de lítio estão contidos em um líquido chamado eletrólito, e esses íons são armazenados no ânodo durante a recarga.

Novas descobertas mostraram que baterias com ânodos feitos de nanofibras de carbono são promissoras. O artigo está disponível em DOI:10.1021 / acsami.7b02476.

"As nanofibras de carbono demonstram grande potencial como um material de ânodo para baterias de íon de potássio, "Pol disse." Nós estudamos baterias para até 1, 900 ciclos de carga-descarga, o que é bastante notável. "

As nanofibras de carbono foram criadas com um processo chamado eletrofiação, onde a alta tensão é usada para puxar uma solução polimérica carregada entre dois eletrodos, e as fibras poliméricas são então transformadas em fibras de carbono.

As baterias mostraram "capacidade razoável" após serem carregadas por apenas seis minutos, tendo uma capacidade de 110 miliamperes-hora por grama, um terço da capacidade alcançada após 10 horas de carregamento de bateria de íon de lítio convencional, ele disse.

"Usualmente, você teria uma capacidade muito limitada depois de apenas seis minutos, porque isso não é tempo suficiente para carregar uma bateria convencional, "Pol disse." No entanto, as nanofibras de carbono permitem que a bateria seja carregada muito mais rápido porque os íons só precisam percorrer uma distância muito curta. A bateria típica de um celular contém partículas com 15-20 micrômetros de diâmetro, que é uma distância muito maior do que essa arquitetura semelhante a fibra, e é por isso que leva de duas a três horas para carregar o telefone. "

O design elimina a necessidade de um "fichário, "ou um gel de polímero para manter o pó de grafite no lugar. Em vez disso, uma rede de nanofibras mantém as partículas de potássio, uma abordagem que pode diminuir o peso da bateria.

As nanofibras foram "funcionalizadas com oxigênio, "significando que as moléculas de oxigênio estão ligadas à sua superfície, reduzindo ainda mais a corrosão do eletrólito ácido. Eles também foram funcionalizados com moléculas de nitrogênio para aumentar a condutividade elétrica.

Em um segundo artigo, estruturas de cerâmica em forma de placa, materiais eletricamente condutores chamados MXenes foram usados ​​para criar um novo tipo de bateria de íon de potássio.

Durante o processo de carregamento, íons são ditos intercalados, o que significa que eles são forçados pela corrente elétrica a se moverem entre as camadas do ânodo de carbono, construir uma carga. Como o potássio tem um diâmetro atômico maior do que o lítio, é mais difícil intercalar.

Contudo, MXenes pode permitir que os pesquisadores contornem esse obstáculo. Os pesquisadores são os primeiros a relatar descobertas sobre o desempenho de estruturas de eletrodos semelhantes a placas feitas de um MXene chamado carbonitreto de titânio.

"Normalmente, as cerâmicas não são eletroquimicamente ativas, mas MXenes são porque você tem uma estrutura de tijolo, e os íons podem ser inseridos entre esses tijolos durante o carregamento, "Disse Pol." Nós mostramos que o potássio carrega e descarrega de forma eficaz se você ajustar a morfologia e a estrutura do material. "

O uso de potássio também pode trazer baterias menos caras, substituindo o cobre pelo alumínio como um "coletor de corrente" para os ânodos. As baterias de íon-lítio requerem cobre para o efeito, enquanto o alumínio pode ser usado nas baterias de íon de potássio.

Em um terceiro artigo, o carbono foi derivado de resíduos de pneus para criar ânodos de carbono para uma bateria de íon de potássio. Os pneus foram reduzidos a uma forma de carbono chamada carbono duro por meio de um processo de tratamento químico seguido por um procedimento chamado pirólise. O artigo está disponível em DOI:10.1149 / 2.1391706jes.

"A reciclagem de borracha para pneus inservíveis é de importância crítica, uma vez que os pneus descartados representam sérios riscos ambientais e de saúde para nossa sociedade, "Pol disse." Aqui, relatamos uma nova aplicação para materiais de carbono duro derivados de resíduos de pneus como ânodos em baterias de íon de potássio. "

Em carbono duro, camadas de carbono são dispostas aleatoriamente, e esse arranjo desordenado facilita a intercalação de íons de potássio.

"Este estudo demonstra como a engenharia de materiais de carbono pode resolver alguns dos problemas resultantes da intercalação de íons de potássio mais volumosa, e podem trazer possíveis estratégias para melhorar o desempenho dessas baterias no futuro, " ele disse.

O estudante de graduação em engenharia química da Purdue, Ryan A. Adams, conduziu grande parte da pesquisa. Sua pesquisa é co-dirigida por Vilas Pol e Arvind Varma, R. Games Slayter Distinto Professor de Engenharia Química. Uma lista completa dos co-autores dos artigos está disponível nos resumos.