Uma equipe de pesquisa da Florida State University e da Cornell University descobriu que as baterias construídas com componentes baratos e seguros podem oferecer três a quatro vezes mais potência do que as baterias construídas com a tecnologia de íon de lítio de última geração.

O trabalho dos pesquisadores é publicado hoje em Nature Communications .

A. Nijamudheen, um pesquisador de pós-doutorado na FAMU-FSU College of Engineering, e Snehashis Choudhury, um estudante de doutorado na Cornell University, junto com membros do corpo docente de ambas as instituições, embarcaram em uma investigação ambiciosa sobre o que dificulta o projeto atual da bateria e como melhorá-lo.

"Se olharmos para o custo das baterias ao longo do tempo, não é surpreendente ver que o vetor está consistentemente apontado para cima, "Choudhury disse." A ampla adoção de tecnologias que exigem baterias exige custos mais baixos. "

Com a esperança de reduzir esses custos, pesquisadores abordaram alguns problemas específicos relacionados a eletrólitos, uma parte crítica da construção de uma bateria que promove o movimento de íons de um eletrodo para o outro.

As equipes começaram a entender as vias químicas pelas quais os eletrólitos se degradam nos eletrodos da bateria. Os pesquisadores não apenas identificaram os mecanismos de degradação dos eletrólitos, eles também descobriram várias estratégias para remediar o problema.

"Descobrimos que controlar as propriedades iônicas das interfases formadas no eletrodo negativo é a chave, "Nijamudheen disse.

Usando cálculos quânticos, Nijamudheen e seu conselheiro, FAMU-FSU Professor Assistente de Engenharia Química Jose Mendoza-Cortes, descobriram que o problema decorre da forma como um componente dos eletrólitos chamado diglyme sofre polimerização. A polimerização é um processo em que as moléculas se combinam quimicamente para produzir uma molécula de cadeia longa chamada polímero.

No caso de baterias, eletrólitos freqüentemente se separam e se reformam para criar moléculas muito maiores após contato prolongado com os eletrodos negativo e positivo de uma bateria.

"Embora o processo de degradação em si seja inofensivo, seus subprodutos bloqueiam o acesso de íons aos eletrodos da bateria, que ao longo do tempo reduz a quantidade de energia armazenada que pode ser recuperada de uma bateria, "disse Lynden Archer, um professor da Cornell University e conselheiro de Choudhury.

Contudo, enquanto alguns tipos de polímeros que resultam deste processo bloqueariam os íons de alcançar os eletrodos, outros provaram ser eficazes em prolongar a vida da bateria.

Com seus cálculos de polimerização em mãos, os pesquisadores começaram a investigar outros tipos de eletrólitos onde o processo de polimerização não impediria o desempenho da bateria.

Tipicamente, baterias de lítio são feitas com eletrólitos de carbonato orgânico, mas esses eletrólitos são altamente inflamáveis. A infraestrutura de regulação térmica cara que fornece resfriamento de células de bateria superaquecidas é, portanto, obrigatória para reduzir os riscos de fuga térmica e incêndios de bateria.

Em vez disso, os pesquisadores testaram um eletrólito de nitrato de lítio, um eletrólito estável que não era inflamável.

Usando esse eletrólito, os pesquisadores começaram a realizar experimentos na interfase de eletrólito sólido ou SEI. O SEI é uma camada protetora formada no eletrodo negativo como resultado da decomposição do eletrólito, geralmente durante o primeiro ciclo de uma bateria.

"Depois de ter um bom SEI, voce tem uma bateria boa, "disse Mendoza-Cortes, que também é professor assistente da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU. "A ideia é encontrar um eletrólito e solvente que possam formar um SEI que possa ser estável e jogar a seu favor."

Os pesquisadores desenvolveram um novo tipo de SEI que se forma espontaneamente em uma célula de bateria usando sal sacrificial ou espécies moleculares introduzidas através dos eletrólitos. Eles também introduziram agentes de transferência de cadeia - uma cadeia de moléculas - que interagiu com o diglima para formar um escudo que protege o eletrodo carregado negativamente da degradação.

Para avaliar a eficácia do design, a equipe de pesquisa realizou uma série de experimentos sobre a capacidade da bateria de ser usada e recarregada. Eles descobriram que poderia passar por cerca de 2, 000 ciclos, bem acima dos 300 a 500 ciclos de carga convencionais associados à maioria das baterias de íon-lítio.

“Com este processo, poderíamos obter uma eficiência sem precedentes para este tipo de sistema, "Mendoza-Cortes disse." O resultado final é que melhoramos o SEI. Isso significaria mais energia que dura mais. Há muito potencial aí. "