Pesquisadores de todo o mundo estão em busca de baterias que sejam mais eficientes, mas menores e mais leves do que as versões atuais, potencialmente permitindo que carros elétricos viajem mais longe ou que aparelhos eletrônicos portáteis funcionem por mais tempo sem recarregar. Agora, pesquisadores do MIT e na China dizem que fizeram um grande avanço nesta área, com uma nova versão de um componente-chave para baterias de lítio, o cátodo.

A equipe descreve seu conceito como um cátodo "híbrido", porque combina aspectos de duas abordagens diferentes que foram usadas antes, um para aumentar a produção de energia por libra (densidade de energia gravimétrica), a outra para a energia por litro (densidade volumétrica de energia). A combinação sinérgica, eles dizem, produz uma versão que fornece os benefícios de ambos, e mais.

O trabalho é descrito hoje na revista. Nature Energy , em um artigo de Ju Li, professor do MIT de ciência e engenharia nuclear e de ciência e engenharia de materiais; Weijiang Xue, um pós-doutorado no MIT; e 13 outros.

As baterias de íon-lítio de hoje tendem a usar cátodos (um dos dois eletrodos em uma bateria) feitos de um óxido de metal de transição, mas as baterias com cátodos de enxofre são consideradas uma alternativa promissora para reduzir o peso. Hoje, os projetistas de baterias de lítio-enxofre enfrentam uma troca.

Os cátodos dessas baterias são geralmente feitos de uma de duas maneiras, conhecidos como tipos de intercalação ou tipos de conversão. Tipos de intercalação, que usam compostos como óxido de lítio-cobalto, fornecem uma alta densidade de energia volumétrica - acumulando muito soco por volume por causa de suas altas densidades. Esses cátodos podem manter sua estrutura e dimensões enquanto incorporam átomos de lítio em sua estrutura cristalina.

A outra abordagem de cátodo, chamado de tipo de conversão, usa enxofre que é transformado estruturalmente e até mesmo temporariamente dissolvido no eletrólito. "Teoricamente, essas [baterias] têm densidade de energia gravimétrica muito boa, "Li diz." Mas a densidade volumétrica é baixa, "em parte porque eles tendem a exigir muitos materiais extras, incluindo um excesso de eletrólito e carbono, usado para fornecer condutividade.

Em seu novo sistema híbrido, os pesquisadores conseguiram combinar as duas abordagens em um novo cátodo que incorpora um tipo de sulfeto de molibdênio chamado fase Chevrel, e enxofre puro, que juntos parecem fornecer os melhores aspectos de ambos. Eles usaram partículas dos dois materiais e as comprimiram para fazer o cátodo sólido. "É como o primer e o TNT em um explosivo, um de ação rápida, e um com maior energia por peso, "Li diz.

Entre outras vantagens, a condutividade elétrica do material combinado é relativamente alta, reduzindo assim a necessidade de carbono e diminuindo o volume geral, Li diz. Os cátodos de enxofre típicos são compostos de 20 a 30 por cento de carbono, ele diz, mas a nova versão precisa de apenas 10 por cento de carbono.

O efeito líquido do uso do novo material é substancial. As baterias de íon de lítio comerciais de hoje podem ter densidades de energia de cerca de 250 watts-hora por quilograma e 700 watts-hora por litro, enquanto as baterias de lítio-enxofre atingem cerca de 400 watts-hora por quilograma, mas apenas 400 watts-hora por litro. A nova versão, em sua versão inicial que ainda não passou por um processo de otimização, já pode chegar a mais de 360 ​​watts-hora por quilograma e 581 watts-hora por litro, Li diz. Ele pode vencer as baterias de íon-lítio e de enxofre de lítio em termos da combinação dessas densidades de energia.

Com mais trabalho, ele diz, "achamos que podemos chegar a 400 watts-hora por quilograma e 700 watts-hora por litro, "com este último valor igualando-se ao íon-lítio. a equipe deu um passo além de muitos experimentos de laboratório com o objetivo de desenvolver um protótipo de bateria em grande escala:em vez de testar pequenas células tipo moeda com capacidades de apenas vários miliamperes-hora, eles produziram uma célula de bolsa de três camadas (uma subunidade padrão em baterias para produtos como veículos elétricos) com uma capacidade de mais de 1, 000 miliamperes-hora. Isso é comparável a algumas baterias comerciais, indicando que o novo dispositivo corresponde às suas características previstas.

Até aqui, a nova célula não consegue corresponder à longevidade das baterias de íon-lítio em termos do número de ciclos de carga-descarga que pode passar antes de perder muita energia para ser útil. Mas essa limitação "não é problema do cátodo"; tem a ver com o design geral da célula, e "estamos trabalhando nisso, "Li diz. Mesmo em sua forma inicial atual, ele diz, "isso pode ser útil para algumas aplicações de nicho, como um drone com longo alcance, "onde peso e volume são mais importantes do que longevidade.

"Acho que esta é uma nova arena para a pesquisa, "Li diz.

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