Como as baterias de íon de lítio que alimentam a maioria dos telefones, laptops, e os veículos elétricos tornam-se cada vez mais rápidos e de alto desempenho, eles também se tornam cada vez mais caros e inflamáveis.

Em pesquisa publicada recentemente na Energy Storage Materials, uma equipe de engenheiros do Rensselaer Polytechnic Institute demonstrou como eles poderiam - usando eletrólitos aquosos em vez dos eletrólitos orgânicos típicos - montar um sistema substancialmente mais seguro, bateria econômica que ainda funciona bem.

Se você desse uma olhada dentro de uma bateria, você encontrará dois eletrodos - um ânodo e um cátodo. Esses eletrodos são imersos em um eletrólito líquido que conduz íons conforme a bateria carrega e descarrega.

Eletrólitos aquosos foram considerados para esse papel por causa de sua natureza não inflamável e porque, ao contrário de eletrólitos não aquosos, eles não são sensíveis à umidade no processo de fabricação, tornando-os mais fáceis de trabalhar e mais baratos. O maior desafio com esse material tem sido manter a performance.

"Se você aplicar muita voltagem à água, ela eletrolisa, o que significa que a água se divide em hidrogênio e oxigênio, "disse Nikhil Koratkar, um professor titular de mecânica, aeroespacial, e engenharia nuclear em Rensselaer. "Isso é um problema porque, então, você obtém a liberação de gases, e o eletrólito é consumido. Então, normalmente, este material tem uma janela de voltagem muito limitada. "

Nesta pesquisa, Koratkar e sua equipe, que incluía Fudong Han, um professor assistente de cadeira dotado de mecânica, aeroespacial, e engenharia nuclear - usou um tipo especial de eletrólito aquoso conhecido como eletrólito de água em sal, que é menos provável de eletrolisar.

Para o cátodo, os pesquisadores usaram óxido de manganês de lítio, e para o ânodo, eles usaram óxido de nióbio e tungstênio - um óxido complexo que Koratkar disse não ter sido explorado em uma bateria aquosa antes.

"Acontece que o óxido de nióbio e tungstênio é excelente em termos de energia armazenada por unidade de volume, "Koratkar disse." Volumetricamente, este foi de longe o melhor resultado que vimos em uma bateria aquosa de íons de lítio. "

O óxido de tungstênio de nióbio, ele explicou, é relativamente pesado e denso. Esse peso faz seu armazenamento de energia com base na massa em torno da média, mas o empacotamento denso de partículas de óxido de nióbio e tungstênio no eletrodo torna seu armazenamento de energia baseado no volume muito bom. A estrutura de cristal deste material também tem canais bem definidos - ou túneis - que permitem que os íons de lítio se difundam rapidamente, o que significa que pode carregar rapidamente.

A combinação da capacidade de carregamento rápido e a capacidade de armazenar uma grande quantidade de carga por unidade de volume, Koratkar disse, é raro em baterias aquosas.

Alcançando esse tipo de desempenho, com baixo custo e maior segurança, tem implicações práticas. Para aplicações emergentes, como eletrônicos portáteis, Veículos elétricos, e armazenamento em grade, a capacidade de compactar a quantidade máxima de energia em um volume limitado torna-se crítica.