p Com o aumento do uso de baterias recarregáveis ​​para alimentar a tecnologia moderna, particularmente veículos elétricos, pesquisadores têm procurado materiais alternativos para íons de lítio em baterias recarregáveis. p Baterias modernas usam lítio e cobalto, mas estes têm uma oferta muito limitada.

p Cientistas de materiais da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis encontraram uma alternativa potencial para o lítio no flúor, um elemento relativamente abundante e leve. Sua pesquisa foi publicada em 7 de dezembro no Journal of Materials Chemistry .

p Interessantemente, o íon fluoreto é o espelho oposto do íon lítio, tendo a atração mais forte por elétrons, o que lhe permite realizar facilmente reações eletroquímicas. Pesquisadores no Japão também estão testando baterias de íon de flúor como possíveis substitutos para baterias de íon de lítio em veículos. Eles dizem que essas baterias podem permitir que veículos elétricos funcionem 1, 000 quilômetros (621 milhas) com uma única carga. Contudo, as baterias de íon de flúor atuais têm baixa ciclabilidade, ou seja, eles tendem a se degradar rapidamente com os ciclos de carga-descarga.

p Os pesquisadores Steven Hartman e Rohan Mishra adotaram uma nova abordagem para o projeto de baterias de íons de flúor, identificar dois materiais que facilmente ganham ou perdem íons de flúor enquanto passam por pequenas mudanças estruturais para permitir uma boa ciclabilidade. Mishra, professor assistente de engenharia mecânica e ciência dos materiais, disse que os novos materiais da bateria são eletridos em camadas.

p Eletrídeos são uma classe relativamente nova de materiais que são conhecidos em princípio há cerca de 50 anos, mas foi apenas nos últimos 10 a 15 anos que suas propriedades foram melhor compreendidas, Mishra disse. Embora esses materiais conduzam elétrons como metais comuns, ao contrário do "mar de elétrons" nos metais, onde os elétrons são deslocalizados por todo o cristal, em eletridos, os elétrons residem em locais intersticiais específicos dentro da estrutura cristalina, semelhante a um íon.

p "Prevemos que esses elétrons intersticiais podem ser facilmente substituídos por íons de flúor sem deformações significativas na estrutura do cristal, permitindo assim a ciclabilidade, "Mishra disse." Os íons de flúor também podem se mover ou se difundir facilmente devido à estrutura relativamente aberta das camadas dos eletrídeos. "

p Hartman, um ex-aluno do Instituto de Ciência e Engenharia de Materiais que obteve um doutorado no laboratório de Mishra antes de aceitar uma bolsa de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Los Alamos, usou cálculos de mecânica quântica para testar dezenas de candidatos a bateria em potencial.

p Os testes computadorizados introduziram flúor nos espaços intersticiais dos eletretos em camadas de nitreto de dicálcio e hipocarbeto de ítrio. As capacidades de armazenamento de energia estavam próximas do desempenho das baterias de íon de lítio. No caso do nitreto de dicálcio, é composto de elementos relativamente abundantes e pode ajudar a superar a escassez de elementos usados ​​atualmente em baterias de íon-lítio.

p Hartman comparou o estudo da bateria com alguns dos outros trabalhos do grupo Mishra, que usa técnicas de "big data" de aprendizado de máquina para filtrar milhares de candidatos.

p "Isso exigiu mais intuição e tentativa e erro do que outros estudos que fizemos, "Hartman disse." Em princípio, você pode adicionar muitos íons de flúor aos eletrodos convencionais para armazenar muita carga, mas na prática, essas capacidades teóricas são difíceis de gerenciar. Quando adicionamos flúor aos eletrodos convencionais, eles incham e encolhem dramaticamente à medida que carrega e descarrega, e isso pode levar a rachaduras e perda de contato elétrico. "

p Minimizar esse volume e alterar a forma é essencial para criar uma bateria de flúor durável.

p "Nestes materiais de eletretos em camadas, prevemos que adicionar e remover os íons de flúor causaria mudanças estruturais significativamente menores, ajudando assim a alcançar uma vida útil mais longa, "Hartman disse.

p O laboratório de Mishra está procurando colaborar com pesquisadores que possam sintetizar os eletrídeos promissores identificados neste estudo e testá-los em baterias de protótipo.

p A McKelvey School of Engineering contém um grupo de professores interdisciplinares conduzindo pesquisas sobre baterias. Pesquisa recente de Peng Bai, professor assistente de energia, engenharia ambiental e química, resultou na capacidade de aproximar o limite de densidade de corrente da bateria e prever com precisão o tempo de curto-circuito para qualquer densidade de corrente particular.

p Jason He, professor de energia, engenharia ambiental e química, conduziu recentemente um estudo de viabilidade para "recarga" eletroquímica de baterias de íon-lítio nos eletrodos gastos para regenerar compostos úteis, como óxido de lítio-cobalto.