Desde 2012, Stefan Freunberger, do Instituto de Química e Tecnologia de Materiais da TU Graz, tem trabalhado no desenvolvimento de uma nova geração de baterias com desempenho aprimorado e vida útil mais longa, e que também são mais baratos de produzir do que os modelos atuais. Ele acredita que as baterias de lítio-oxigênio têm um potencial significativo. Em 2017, no curso de seu trabalho, Freunberger descobriu paralelos entre o envelhecimento celular em organismos vivos e em baterias. Em ambos os casos, o oxigênio singlete altamente reativo é responsável pelo processo de envelhecimento. Esta forma de oxigênio, que tem sido o foco da pesquisa de Freunberger nos últimos anos, é produzido quando as baterias de lítio-oxigênio são carregadas ou descarregadas. O pesquisador baseado em Graz agora encontrou maneiras de minimizar os efeitos negativos do oxigênio singlete, e suas descobertas foram publicadas em revistas renomadas Nature Communications e Angewandte Chemie .

Mediadores redox estáveis, a chave para a eficiência energética

Em seu papel em Nature Communications , Freunberger descreve o efeito do oxigênio singlete nos chamados mediadores redox, que pode ser reversivelmente reduzido ou oxidado. O trabalho foi realizado em colaboração com pesquisadores da Coréia do Sul e dos Estados Unidos. Os mediadores redox desempenham um papel vital no fluxo de elétrons entre o circuito externo e o material de armazenamento de carga em baterias de oxigênio, e também têm um impacto considerável em seu desempenho. O princípio por trás dos mediadores é emprestado da natureza, onde são responsáveis ​​por uma série de funções diferentes nas células vivas, incluindo a transmissão de impulsos nervosos e produção de energia. “Até agora, presumia-se que os mediadores redox são desativados por superóxidos e peróxidos. Mas nossos experimentos mostraram que isso se deve à ação do oxigênio singlete, ", disse Freunberger. Os pesquisadores usaram cálculos da teoria funcional da densidade para demonstrar por que certas classes de mediadores são mais resistentes ao oxigênio singlete do que outras. Eles também identificaram suas vias de ataque mais prováveis. Esses insights estão impulsionando o desenvolvimento de novos, mediadores redox mais estáveis. “Quanto mais estáveis ​​são os mediadores, o mais eficiente, reversíveis e de longa duração as baterias tornam-se, "Freunberger explicou.

DABCOnium fornece proteção eficaz contra oxigênio singlete

Além de desativar mediadores redox, oxigênio singlete também desencadeia reações parasitárias, que comprometem a vida útil da bateria e a capacidade de recarga. Então, Freunberger tentou identificar um inibidor adequado que transforma o oxigênio singlete produzido em oxigênio tripleto inofensivo, que ocorre no ar - a biologia o apontou na direção certa. "Uma enzima chamada superóxido dismutase bloqueia a formação de oxigênio singlete nas células vivas. Em seu lugar, Eu usei DABCOnium - que é um sal do composto orgânico de nitrogênio DABCO - em meus experimentos. "DABCOnium é um aditivo eletrolítico que é muito mais resistente à oxidação do que os inibidores previamente identificados, e é compatível com um ânodo de metal de lítio. Desta maneira, pela primeira vez, Freunberger criou condições para carregar células de oxigênio de lítio que eram amplamente livres de reações colaterais - em outras palavras, sem reações parasitárias. Contudo, como Freunberger mostrou no ano passado, oxigênio singlete também causa problemas em baterias de íon-lítio de última geração, bem como em baterias de oxigênio. Isso significa que os inibidores também são significativos para os primeiros. Freunberger publicou detalhes deste inibidor de oxigênio singlete no jornal Angewandte Chemie .

Caso ideal:Mediador e inibidor combinados

O próximo passo na pesquisa de Freunberger envolverá a fusão de suas descobertas e o desenvolvimento de uma nova classe de mediadores. Eles devem ser particularmente resistentes ao ataque do oxigênio singlete e também combatê-lo com eficácia, desempenhando uma função de têmpera. Isso aumentaria drasticamente a vida útil das baterias de lítio-oxigênio e maximizaria a eficiência energética.