Pesquisadores da University of Illinois at Chicago e do Argonne National Laboratory projetaram uma nova bateria de lítio-ar que funciona em um ambiente de ar natural e ainda funciona após um recorde de 750 ciclos de carga / descarga. Suas descobertas são relatadas no jornal Natureza .

"O design de nossa bateria de lítio-ar representa uma revolução na comunidade de baterias, "disse Amin Salehi-Khojin, professor assistente de engenharia mecânica e industrial e co-autor do artigo. "Esta primeira demonstração de uma verdadeira bateria de lítio-ar é um passo importante em direção ao que chamamos de baterias 'além de íon-lítio', mas temos mais trabalho a fazer para comercializá-lo. "

Baterias de lítio-ar - que se acredita serem capazes de armazenar até cinco vezes mais energia do que as baterias de íon-lítio que alimentam nossos telefones, laptops e veículos elétricos - têm tentado os pesquisadores de baterias há anos. Mas vários obstáculos prejudicaram seu desenvolvimento.

As baterias funcionariam combinando o lítio presente no ânodo com o oxigênio do ar para produzir peróxido de lítio no cátodo durante a fase de descarga. O peróxido de lítio seria quebrado novamente em seus componentes de lítio e oxigênio durante a fase de carga.

Infelizmente, projetos experimentais de tais baterias de lítio-ar têm sido incapazes de operar em um ambiente de ar natural verdadeiro devido à oxidação do ânodo de lítio e produção de subprodutos indesejáveis ​​no cátodo que resultam da combinação de íons de lítio com dióxido de carbono e vapor de água no ar. Esses subprodutos acumulam o cátodo, que eventualmente se torna completamente revestido e incapaz de funcionar. Essas baterias experimentais contaram com tanques de oxigênio puro - o que limita sua praticidade e apresenta sérios riscos à segurança devido à inflamabilidade do oxigênio.

"Alguns outros tentaram construir células de bateria de ar de lítio, mas eles falharam por causa do ciclo de vida ruim, "disse Larry Curtiss, co-autor principal e Argonne Distinguished Fellow.

A equipe de pesquisa UIC-Argonne superou esses desafios usando uma combinação única de ânodo, cátodo e eletrólito - os três principais componentes de qualquer bateria - para evitar a oxidação do ânodo e o acúmulo de subprodutos que matam a bateria no cátodo e permitir que a bateria opere em um ambiente de ar natural.

Eles revestiram o ânodo de lítio com uma fina camada de carbonato de lítio que seletivamente permite que os íons de lítio do ânodo entrem no eletrólito, evitando que compostos indesejados cheguem ao ânodo.

Em uma bateria de lítio-ar, o cátodo é simplesmente onde o ar entra na bateria. Em projetos experimentais de baterias de lítio-ar, oxigênio, junto com todos os outros gases que compõem o ar, entra no eletrólito através de uma estrutura de rede esponjosa à base de carbono.

Salehi-Khojin e seus colegas revestiram a estrutura da rede com um catalisador de dissulfato de molibdênio e usaram um eletrólito híbrido exclusivo feito de líquido iônico e dimetilsulfóxido, um componente comum dos eletrólitos da bateria, que ajudou a facilitar as reações de lítio-oxigênio, minimizar as reações do lítio com outros elementos no ar e aumentar a eficiência da bateria.

"A revisão arquitetônica completa que realizamos nesta bateria, redesenhando cada parte dela, ajudou-nos a permitir as reações que queríamos que ocorressem e prevenir ou bloquear aquelas que acabariam por causar o esgotamento da bateria, "disse Salehi-Khojin.

A equipe UIC construiu, testado, analisou e caracterizou as células da bateria. O grupo Argonne, junto com colegas da UIC e da California State University, realizaram as análises computacionais.