De telefones celulares, à energia solar, para carros elétricos, a humanidade está cada vez mais dependente de baterias. Como demanda por segurança, eficiente, e o poderoso armazenamento de energia continua aumentando, o mesmo acontece com o apelo por alternativas promissoras para baterias recarregáveis ​​de íon-lítio, que têm sido a tecnologia dominante neste espaço.

Em pesquisa publicada em Proceedings of the National Academy of Sciences , pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute demonstram como podem superar um desafio persistente conhecido como dendritos para criar uma bateria de metal que funciona quase tão bem quanto uma bateria de íon de lítio, mas depende do potássio - um elemento muito mais abundante e menos caro.

As baterias contêm dois eletrodos - um cátodo em uma extremidade e um ânodo na outra. Se você olhasse dentro de uma bateria de íon de lítio, normalmente encontraria um cátodo feito de óxido de lítio-cobalto e um ânodo feito de grafite. Durante o carregamento e descarregamento, Os íons de lítio fluem para frente e para trás entre esses dois eletrodos.

Nesta configuração, se os pesquisadores simplesmente substituíssem o óxido de lítio-cobalto por óxido de potássio-cobalto, o desempenho cairia. O potássio é um elemento maior e mais pesado e, Portanto, menos energia densa. Em vez de, a equipe Rensselaer procurou aumentar o desempenho do potássio também substituindo o ânodo de grafite por potássio metálico.

“Em termos de desempenho, isso pode rivalizar com uma bateria de íon de lítio tradicional, "disse Nikhil Koratkar, um professor dotado de mecânica, aeroespacial, e engenharia nuclear em Rensselaer e o principal autor deste artigo.

Embora as baterias de metal tenham se mostrado uma grande promessa, eles também têm sido tradicionalmente atormentados pelo acúmulo de depósitos de metal, chamados dendritos, no ânodo. Os dendritos são formados devido à deposição não uniforme de potássio metálico à medida que a bateria passa por ciclos repetidos de carga e descarga. Hora extra, Koratkar explicou, os conglomerados de potássio metálico tornam-se longos e quase ramificados.

Se eles crescerem muito, eles acabarão por perfurar o separador de membrana isolante destinado a evitar que os eletrodos se toquem e causem um curto-circuito na bateria. O calor é criado quando uma bateria entra em curto e tem o potencial de colocar fogo no eletrólito orgânico dentro do dispositivo.

Nesse artigo, Koratkar e sua equipe, que incluía Prateek Hundekar, um estudante de doutorado em Rensselaer, e pesquisadores da Universidade de Maryland, incluindo Chunsheng Wang, um professor de engenharia química e biomolecular - explique como a solução deles para esse problema abre caminho para o uso prático do consumidor. Operando a bateria com uma carga e taxa de descarga relativamente altas, eles podem aumentar a temperatura dentro da bateria de uma maneira bem controlada e estimular os dendritos a se autocurarem do ânodo.

Koratkar compara o processo de autocura com o que acontece com uma pilha de neve após o fim de uma tempestade. O vento e o sol ajudam a remover os flocos do monte de neve, encolhendo seu tamanho e eventualmente achatando-o.

De maneira semelhante, enquanto o aumento da temperatura dentro da bateria não derrete o potássio metálico, ajuda a ativar a difusão superficial para que os átomos de potássio se movam lateralmente para fora da "pilha" que criaram, alisando efetivamente o dendrito.

"Com esta abordagem, a ideia é que à noite ou sempre que você não estiver usando a bateria, você teria um sistema de gerenciamento de bateria que aplicaria este calor local que faria com que os dendritos se auto-regenerassem, "Koratkar disse.

Koratkar e sua equipe demonstraram anteriormente um método semelhante de autocura com baterias de metal de lítio, mas eles descobriram que a bateria de potássio requeria muito menos calor para completar o processo de autocura. Esse achado promissor, Koratkar disse, significa que uma bateria de potássio metálico poderia ser mais eficiente, seguro, e prático.

"Eu quero ver uma mudança de paradigma para baterias de metal, "Koratkar disse." Baterias de metal são a maneira mais eficiente de construir uma bateria; Contudo, por causa desse problema de dendrito, eles não eram viáveis. Com potássio, Estou mais esperançoso. "