As baterias de metal-ar têm sido perseguidas como sucessoras das baterias de íon-lítio devido às suas densidades de energia gravimétrica excepcionais. Eles poderiam permitir que carros elétricos viajassem mil milhas ou mais com uma única carga.

Um novo membro promissor da família das baterias de metal alcalino-ar é a bateria de potássio-ar, que tem mais de três vezes a densidade de energia gravimétrica teórica das baterias de íon de lítio. Um grande desafio no projeto de baterias de potássio-ar é escolher o eletrólito certo, o líquido que facilita a transferência de íons entre o cátodo e o ânodo.

Tipicamente, eletrólitos são escolhidos usando uma abordagem de tentativa e erro com base em regras práticas que correlacionam várias propriedades do eletrólito, seguido por testes exaustivos (e demorados) de vários candidatos a eletrólito para ver se o desempenho desejado é alcançado.

Pesquisadores da Washington University em St. Louis, liderado por Vijay Ramani, o Roma B. e Raymond H. Wittcoff Distinguished Professor of Environment &Energy na McKelvey School of Engineering, agora mostraram como eletrólitos para baterias de ar de metal alcalino podem ser escolhidos usando um único, parâmetro fácil de medir.

Seu trabalho foi publicado em 8 de julho no Proceedings of the National Academy of Sciences .

A equipe de Ramani estudou as interações fundamentais entre o sal e o solvente no eletrólito e mostrou como essas interações podem influenciar o desempenho geral da bateria. Eles desenvolveram um novo parâmetro, ou seja, o Módulo de Thiele "Eletroquímico", uma medida da facilidade de transporte de íons e reação na superfície do eletrodo.

Esta pesquisa documenta a primeira vez que a teoria de transferência de elétrons ganhadora do Prêmio Nobel de Marcus-Hush foi usada para estudar o impacto da composição do eletrólito no movimento de íons através do eletrólito, e sua reação na superfície do eletrodo.

Este Módulo de Thiele diminuiu exponencialmente com o aumento da energia de reorganização do solvente - uma medida da energia necessária para modificar a esfera de solvatação de uma espécie dissolvida. Assim, a energia de reorganização de solvente poderia ser usada para selecionar racionalmente eletrólitos para baterias de metal-ar de alto desempenho. Chega de tentativa e erro.

"Começamos tentando entender melhor a influência do eletrólito na reação de redução de oxigênio em sistemas de bateria de metal-ar, "disse Shrihari Sankarasubramanian, um cientista pesquisador da equipe de Ramani e principal autor do estudo.

"Acabamos mostrando como a difusão dos íons no eletrólito e a reação desses íons na superfície do eletrodo estão correlacionadas à energia necessária para quebrar a camada de solvatação em torno dos íons dissolvidos."

"Mostrar como um descritor de parâmetro único da energia de solvatação se correlaciona com o transporte de íons e a cinética de reação de superfície é um avanço revolucionário, "Ramani disse." Isso nos permitirá desenvolver racionalmente novos eletrólitos de alto desempenho para baterias de metal-ar. "