De carros elétricos que viajam centenas de quilômetros com uma única carga a motosserras tão poderosas quanto as versões movidas a gás, novos produtos chegam ao mercado a cada ano que aproveitam os avanços recentes na tecnologia de baterias.

Mas esse crescimento gerou preocupações de que o suprimento mundial de lítio, o metal no coração de muitas das novas baterias recarregáveis, pode eventualmente estar esgotado.

Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia encontraram novas evidências sugerindo que as baterias baseadas em sódio e potássio são promissoras como uma alternativa potencial às baterias baseadas em lítio.

"Um dos maiores obstáculos para as baterias de íons de sódio e potássio é que elas tendem a se decompor e degradar mais rapidamente e reter menos energia do que as alternativas, "disse Matthew McDowell, professor assistente na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff e na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais.

"Mas descobrimos que nem sempre é o caso, " ele adicionou.

Para o estudo, que foi publicado em 19 de junho na revista Joule e foi patrocinado pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA, a equipe de pesquisa analisou como três íons diferentes - lítio, sódio, e potássio - reagiu com partículas de sulfeto de ferro, também chamada de pirita e ouro de tolo.

Conforme as baterias carregam e descarregam, Os íons estão constantemente reagindo e penetrando nas partículas que compõem o eletrodo da bateria. Este processo de reação causa grandes mudanças de volume nas partículas do eletrodo, muitas vezes quebrando-os em pequenos pedaços. Como os íons de sódio e potássio são maiores do que o lítio, tradicionalmente, acredita-se que eles causam uma degradação mais significativa ao reagir com as partículas.

Em seus experimentos, as reações que ocorrem dentro de uma bateria foram observadas diretamente dentro de um microscópio eletrônico, com as partículas de sulfeto de ferro desempenhando o papel de um eletrodo de bateria. Os pesquisadores descobriram que o sulfeto de ferro era mais estável durante a reação com sódio e potássio do que com lítio, indicando que essa bateria à base de sódio ou potássio pode ter uma vida muito mais longa do que o esperado.

A diferença entre como os diferentes íons reagiam era gritante visualmente. Quando exposto ao lítio, partículas de sulfeto de ferro pareceram quase explodir sob o microscópio eletrônico. Pelo contrário, o sulfeto de ferro se expandiu como um balão quando exposto ao sódio e ao potássio.

"Vimos uma reação muito robusta sem fratura - algo que sugere que este material e outros materiais semelhantes poderiam ser usados ​​nessas novas baterias com maior estabilidade ao longo do tempo, "disse Matthew Boebinger, um estudante de graduação na Georgia Tech.

O estudo também lança dúvidas sobre a noção de que grandes mudanças de volume que ocorrem durante a reação eletroquímica são sempre um precursor da fratura da partícula, que causa falha do eletrodo levando à degradação da bateria.

Os pesquisadores sugeriram que uma possível razão para a diferença em como os diferentes íons reagiam com o sulfeto de ferro é que o lítio era mais propenso a concentrar sua reação ao longo das bordas afiadas em forma de cubo da partícula, enquanto a reação com sódio e potássio foi mais difusa ao longo de toda a superfície da partícula de sulfeto de ferro. Como resultado, a partícula de sulfeto de ferro ao reagir com sódio e potássio desenvolveu uma forma mais oval com bordas arredondadas.

Embora ainda haja mais trabalho a ser feito, as novas descobertas da pesquisa podem ajudar os cientistas a projetar sistemas de bateria que usam esses tipos de materiais novos.

"As baterias de lítio ainda são as mais atraentes agora porque têm a maior densidade de energia - você pode armazenar muita energia nesse espaço, "McDowell disse." Baterias de sódio e potássio neste momento não têm mais densidade, mas são baseados em elementos mil vezes mais abundantes na crosta terrestre do que o lítio. Portanto, eles podem ser muito mais baratos no futuro, o que é importante para armazenamento de energia em grande escala - energia de reserva para residências ou para a rede de energia do futuro. "