Muitos veículos elétricos são movidos por baterias que contêm cobalto – um metal que acarreta elevados custos financeiros, ambientais e sociais.



Os pesquisadores do MIT desenvolveram agora um material de bateria que poderia oferecer uma forma mais sustentável de alimentar carros elétricos. A nova bateria de íons de lítio inclui um cátodo baseado em materiais orgânicos, em vez de cobalto ou níquel (outro metal frequentemente usado em baterias de íons de lítio).

Num novo estudo, os investigadores mostraram que este material, que poderia ser produzido a um custo muito inferior ao das baterias contendo cobalto, pode conduzir eletricidade a taxas semelhantes às das baterias de cobalto. A nova bateria também tem capacidade de armazenamento comparável e pode ser carregada mais rapidamente do que as baterias de cobalto, relatam os pesquisadores.

“Acho que este material pode ter um grande impacto porque funciona muito bem”, diz Mircea Dincă, W.M. Keck Professor de Energia no MIT. “Já é competitivo com as tecnologias existentes e pode economizar muitos custos, problemas e problemas ambientais relacionados à mineração dos metais que atualmente são usados ​​nas baterias”.

Dincă é o autor sênior do estudo, publicado hoje (18 de janeiro) na revista ACS Central Science . Tianyang Chen Ph.D. '23 e Harish Banda, ex-pós-doutorado do MIT, são os principais autores do artigo. Outros autores incluem Jiande Wang, pós-doutorado no MIT; Julius Oppenheim, estudante de pós-graduação do MIT; e Alessandro Franceschi, pesquisador da Universidade de Bolonha.

Alternativas ao cobalto

A maioria dos carros elétricos é alimentada por baterias de íons de lítio, um tipo de bateria que é recarregada quando os íons de lítio fluem de um eletrodo carregado positivamente, chamado cátodo, para um eletrodo negativo, chamado ânodo. Na maioria das baterias de íon-lítio, o cátodo contém cobalto, um metal que oferece alta estabilidade e densidade de energia.

No entanto, o cobalto tem desvantagens significativas. Sendo um metal escasso, o seu preço pode flutuar dramaticamente e muitos dos depósitos mundiais de cobalto estão localizados em países politicamente instáveis. A extração de cobalto cria condições de trabalho perigosas e gera resíduos tóxicos que contaminam a terra, o ar e a água ao redor das minas.

“As baterias de cobalto podem armazenar muita energia e possuem todos os recursos que as pessoas se preocupam em termos de desempenho, mas têm o problema de não estarem amplamente disponíveis e o custo flutua amplamente com os preços das commodities. para uma proporção muito maior de veículos eletrificados no mercado consumidor, certamente ficará mais caro", diz Dincă.

Devido às muitas desvantagens do cobalto, muitas pesquisas foram feitas para tentar desenvolver materiais alternativos para baterias. Um desses materiais é o fosfato de ferro-lítio (LFP), que alguns fabricantes de automóveis estão começando a usar em veículos elétricos. Embora ainda seja útil na prática, o LFP tem apenas cerca de metade da densidade de energia das baterias de cobalto e níquel.

Outra opção atraente são os materiais orgânicos, mas até agora a maioria desses materiais não conseguiu igualar a condutividade, a capacidade de armazenamento e a vida útil das baterias contendo cobalto. Devido à sua baixa condutividade, esses materiais normalmente precisam ser misturados com ligantes, como polímeros, que os ajudam a manter uma rede condutora. Esses ligantes, que constituem pelo menos 50% do material total, reduzem a capacidade de armazenamento da bateria.

Há cerca de seis anos, o laboratório de Dincă começou a trabalhar num projeto, financiado pela Lamborghini, para desenvolver uma bateria orgânica que pudesse ser usada para alimentar carros elétricos. Enquanto trabalhavam em materiais porosos que eram parcialmente orgânicos e parcialmente inorgânicos, Dincă e seus alunos perceberam que um material totalmente orgânico que haviam feito parecia ser um condutor forte.

Este material consiste em muitas camadas de TAQ (bis-tetraaminobenzoquinona), uma pequena molécula orgânica que contém três anéis hexagonais fundidos. Essas camadas podem se estender para fora em todas as direções, formando uma estrutura semelhante ao grafite. Dentro das moléculas estão grupos químicos chamados quinonas, que são os reservatórios de elétrons, e aminas, que ajudam o material a formar fortes ligações de hidrogênio.

Essas ligações de hidrogênio tornam o material altamente estável e também muito insolúvel. Essa insolubilidade é importante porque evita que o material se dissolva no eletrólito da bateria, como fazem alguns materiais orgânicos da bateria, prolongando assim a sua vida útil.

"Um dos principais métodos de degradação dos materiais orgânicos é que eles simplesmente se dissolvem no eletrólito da bateria e passam para o outro lado da bateria, criando essencialmente um curto-circuito. Se você tornar o material completamente insolúvel, esse processo não acontece. acontecer, então podemos passar por mais de 2.000 ciclos de carga com degradação mínima", diz Dincă.

Forte desempenho

Os testes deste material mostraram que a sua condutividade e capacidade de armazenamento eram comparáveis ​​às das baterias tradicionais contendo cobalto. Além disso, as baterias com cátodo TAQ podem ser carregadas e descarregadas mais rapidamente do que as baterias existentes, o que poderia acelerar a taxa de carregamento dos veículos elétricos.

Para estabilizar o material orgânico e aumentar sua capacidade de aderir ao coletor de corrente da bateria, que é feito de cobre ou alumínio, os pesquisadores adicionaram materiais de enchimento como celulose e borracha. Esses enchimentos representam menos de um décimo do compósito catódico geral, portanto não reduzem significativamente a capacidade de armazenamento da bateria.

Esses enchimentos também prolongam a vida útil do cátodo da bateria, evitando que ele se quebre quando os íons de lítio fluem para o cátodo durante o carregamento da bateria.

Os materiais primários necessários para fabricar este tipo de cátodo são um precursor de quinona e um precursor de amina, que já estão comercialmente disponíveis e são produzidos em grandes quantidades como produtos químicos básicos. Os pesquisadores estimam que o custo do material de montagem dessas baterias orgânicas poderia ser cerca de um terço a metade do custo das baterias de cobalto.

A Lamborghini licenciou a patente da tecnologia. O laboratório de Dincă planeja continuar desenvolvendo materiais alternativos para baterias e está explorando uma possível substituição do lítio por sódio ou magnésio, que são mais baratos e mais abundantes que o lítio.

Mais informações: Tianyang Chen et al, Um cátodo orgânico em camadas para baterias de íons de lítio de alta energia, carregamento rápido e longa duração, ACS Central Science (2024). DOI:10.1021/acscentsci.3c01478
Informações do diário: Ciência Central ACS

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.