Uma equipe de pesquisa da Universidade de Osaka relatou um novo avanço no design de materiais para uso em baterias recarregáveis, sob condições de alta umidade. Usando a inspiração de células vivas que podem bloquear partículas menores, mas permitem que partículas maiores passem, os pesquisadores conseguiram criar um material com íons de potássio altamente móveis que podem migrar facilmente em resposta a campos elétricos. Este trabalho pode ajudar a tornar as baterias recarregáveis ​​seguras e baratas o suficiente para reduzir drasticamente o custo de carros elétricos e eletrônicos portáteis.

As baterias recarregáveis ​​de íon de lítio são amplamente utilizadas em laptops, celulares, e até carros elétricos e híbridos. Infelizmente, essas baterias são caras, e foram até mesmo conhecidos por explodir em chamas de vez em quando. Novos materiais que não usam lítio podem reduzir o custo e melhorar a segurança dessas baterias, e têm o potencial de acelerar muito a adoção de carros elétricos com eficiência energética. Os íons sódio e potássio são candidatos potenciais que podem ser usados ​​para substituir o lítio, porque são baratos e em grande quantidade. Contudo, íons de sódio e potássio são íons muito maiores do que lítio, portanto, eles se movem lentamente pela maioria dos materiais. Esses íons positivos são ainda mais retardados pelas fortes forças de atração para as cargas negativas em materiais cristalinos. "Os íons de potássio possuem baixa mobilidade no estado sólido devido ao seu grande tamanho, o que é uma desvantagem para a construção de baterias, "explica o autor correspondente Takumi Konno.

Para resolver este problema, os pesquisadores usaram o mesmo mecanismo que suas células empregam para permitir que os grandes íons de potássio passem através de suas membranas e, ao mesmo tempo, impedir a entrada de partículas menores. Os sistemas vivos alcançam essa façanha aparentemente impossível considerando não apenas o íon em si, mas também as moléculas de água circundantes, chamada de "camada de hidratação, "que são atraídos pela carga positiva do íon. Na verdade, quanto menor o íon, quanto maior e mais fortemente ligada será sua camada de hidratação associada. Os canais especializados de potássio nas membranas celulares têm o tamanho certo para permitir a passagem de íons de potássio hidratados, mas bloqueia as grandes camadas de hidratação de íons menores.

Os pesquisadores desenvolveram um cristal iônico usando ródio, zinco, e átomos de oxigênio. Assim como com os canais biológicos seletivos, a mobilidade dos íons no cristal foi considerada maior para os íons de potássio maiores, em comparação com os íons de lítio menores. Na verdade, os íons de potássio se moviam tão facilmente, o cristal foi classificado como um "condutor superiônico". Os pesquisadores descobriram que o material atual tinha a maior mobilidade de íons de potássio hidratado já vista.

"Notavelmente, o cristal exibiu uma condutividade de íons particularmente alta devido à rápida migração de íons de potássio hidratado na estrutura do cristal ", disse o autor principal Nobuto Yoshinari." Essa condutividade superiônica de íons de potássio hidratado no estado sólido não tem precedentes, e pode levar a baterias recarregáveis ​​mais seguras e mais baratas. "