p As baterias recarregáveis ​​de íon de lítio (Li-ion) são uma tecnologia revolucionária, encontrado em tudo, de telefones celulares a carros. Sua onipresença e papel em quebrar a dependência de combustíveis fósseis renderam um trio de pesquisadores ao Prêmio Nobel de Química deste ano. p Mas mesmo com a tecnologia da bateria de íon-lítio sendo reconhecida com um dos principais prêmios da ciência, a química por trás deles está enfrentando um desafio iminente. As baterias de íon de lítio não podem ser recarregadas indefinidamente; os materiais nos eletrodos dessas baterias se expandem e racham a cada ciclo, diminuindo gradualmente seu desempenho de armazenamento até que se tornem inúteis. A demanda resultante por lítio fresco, cobalto e outros elementos necessários sobrecarregam os recursos naturais.

p Com este desafio em mente, Os engenheiros da Penn estão procurando projetar eletrodos de bateria recarregáveis ​​que possam funcionar de maneira eficiente com íons de metal diferentes de lítio. As baterias de íons de magnésio são uma alternativa promissora, mas os materiais que podem armazenar magnésio de forma reversível até agora têm sido ainda mais suscetíveis a rachaduras e outros problemas do que seus primos de íons de lítio.

p Os pesquisadores da Penn agora encontraram uma solução ao incorporar gálio, um metal que tem um ponto de fusão alguns graus acima da temperatura ambiente, no ânodo de uma bateria de íons de magnésio. Ao derreter e solidificar a cada ciclo de carga e descarga, esses ânodos podem "curar" a rachadura e a expansão subsequente que normalmente degradam o armazenamento da bateria recarregável.

p Seus experimentos mostram que este novo ânodo estende significativamente a vida útil das baterias de íons de magnésio, e faz isso sem a necessidade de materiais caros em nanoescala. Essas características podem tornar as baterias de íons de magnésio um bom ajuste para aplicações em grande escala, tirando a pressão dos recursos de lítio.

p Os pesquisadores demonstraram seu ânodo à base de gálio em um estudo publicado em Materiais de energia avançada .

p O estudo foi liderado por Eric Detsi, Stephenson Term Assistant Professor no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, junto com Lin Wang e Samuel Welborn, alunos de pós-graduação em seu laboratório. Eles colaboraram com Vivek Shenoy, Eduardo D. Glandt Professor Ilustre Presidente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais.

p "Para a maioria dos veículos elétricos, o peso da bateria representa cerca de um quinto do peso total do veículo. Contar apenas com baterias de íon-lítio para alimentar esses veículos em todo o mundo colocará uma pressão considerável sobre os recursos de lítio e cobalto usados ​​nas baterias, "Detsi diz." Eles já estão ficando mais caros devido à demanda, e o mercado global de cobalto depende fortemente de suprimentos de países com altos riscos geopolíticos. "

p “É óbvio que tecnologias alternativas de bateria são necessárias, "diz ele." Não para substituir o lítio, mas para suportar o lítio. "

p Carregar e descarregar uma bateria envolve reações químicas que permitem que os íons se movam de um eletrodo da bateria para o outro, ganhando ou liberando elétrons no processo. Contudo, qualquer pessoa com um celular ou laptop envelhecido sabe que essas baterias perdem a capacidade de manter a carga com o tempo. Um dos principais motivos da falha dessas baterias é que o ciclo de carga e descarga envolve uma transformação física dos materiais nos eletrodos. Quando os íons são incorporados ao eletrodo, esses materiais se expandem, e quando os íons são liberados do eletrodo, os materiais racham. Este processo continua até que os materiais se quebrem e percam fisicamente o contato elétrico com os eletrodos, tornando a bateria inutilizável.

p "A mudança de volume que ocorre na maioria dos materiais de eletrodo devido à incorporação e liberação de íons leva à rachadura e pulverização. É uma das coisas que matam uma bateria, "diz Wang." Esta pulverização está associada ao acúmulo de tensão que vem com uma transformação de fase sólido-sólido. "

p “Em nosso novo trabalho, Contudo, "Welborn diz, "em vez de uma transformação de um tipo de sólido em outro, o material sólido original se transforma em líquido. Isso inibe a rachadura e pulverização porque as tensões associadas com a transformação sólido-sólido normal não estão mais presentes. "

p Em temperatura ambiente, o gálio puro é um maleável, metal prateado que pode ser facilmente confundido com alumínio ou níquel. Segurando um pouco em sua mão, Contudo, revela rapidamente uma propriedade única:com um ponto de fusão de 85 graus Fahrenheit, a temperatura corporal é suficiente para transformar um pedaço sólido de gálio em um líquido semelhante ao mercúrio.

p No novo estudo dos pesquisadores, o gálio começa na forma sólida porque está ligado ao magnésio em partículas de tamanho mícron.

p "Para conectar eletronicamente essas pequenas peças, "Wang diz, "nós os colocamos em uma rede condutora de fibras de carbono, negro de fumo e grafeno, todos amarrados com um fichário. "

p Quando os íons de magnésio se separam do gálio, ele se transforma em seu estado líquido porque a bateria opera em temperaturas ligeiramente acima do ponto de fusão do gálio.

p "Uma vez que está agrupado nesta rede de outros materiais, "Welborn diz, "quando o gálio passa de sólido para líquido, ele não se move como você esperaria que um líquido se movesse. "

p Usando raios-X para examinar a estrutura cristalina dos materiais dentro da bateria, os pesquisadores mostraram que quando a bateria carrega, os íons retornam ao ânodo e reformam as partículas sólidas de gálio-magnésio.

p Criticamente, uma vez que essas partículas são reconstituídas a cada ciclo, eles não experimentam o tipo de rachadura que eventualmente degrada outras baterias.

p A bateria experimental dos pesquisadores resistiu a mais de mil ciclos de carga, aproximadamente cinco vezes mais do que a bateria de íons de magnésio de última geração atual.

p “Os mil ciclos demonstrados neste trabalho representam uma melhoria significativa, "Detsi diz, "mas nosso sonho é aproveitar esse comportamento único de autocura para projetar uma bateria que possa ser carregada e descarregada para sempre."

p O limite da vida útil de mil ciclos da nova bateria não é devido ao eletrodo, mas sim o eletrólito, o meio líquido que move íons de um eletrodo para outro. Pesquisas anteriores do grupo de Detsi mostraram o papel que o eletrólito desempenha na degradação lenta dos eletrodos da bateria, e o trabalho futuro se concentrará em como melhorar esse processo.

p Felizmente, como acontece com o design dos eletrodos de autocura do estudo, trabalhar neste aspecto do projeto da bateria envolve aplicações inteligentes de química, em vez de técnicas de nanotecnologia de custo proibitivo, outras tentativas de estender a vida da bateria implicam.

p "Para corrigir os problemas com baterias de íon de lítio, a comunidade de baterias geralmente usa nanomateriais, "Detsi diz." No entanto, a síntese de nanomateriais pode ser complexa, o que significa que fazer toneladas de nanomateriais em escala industrial para aplicações de bateria pode ser muito caro. Uma coisa notável com nosso design é que não há necessidade de usar nanomateriais, o que torna esta classe de baterias muito atraente para aplicações em grande escala. "