Uma descoberta fortuita durante a pesquisa de baterias na Oregon State University tem implicações importantes para a invenção de novos materiais com uma vasta gama de aplicações científicas e comerciais, o autor correspondente do estudo diz.

Muitos dos desafios mais significativos da ciência remontam aos limites dos materiais disponíveis conhecidos, mas um fenômeno denominado "inserção de contra-íons" pelos pesquisadores do OSU College of Science abre a porta para "um grande número de novos sólidos com valores que transcendem diferentes disciplinas, muito além da química de baterias, "disse Xiulei (David) Ji, professor associado de química. "Este é o ponto inicial de um campo totalmente novo."

Por exemplo, baterias projetadas usando esta construção mostram potencial notável para armazenamento de energia de baixo custo, Ji disse. Em comparação com as baterias de íon de lítio usadas para alimentar telefones celulares, laptops, equipamento médico, ferramentas elétricas, veículos e mais, eles são mais seguros e ecológicos e podem ser mais econômicos.

As descobertas acabaram de ser publicadas em Energia de Carbono .

Pesquisando a química de armazenamento de íons em sólidos - especificamente, olhando para ânions em vez de cátions para armazenar energia - Ji e Ph.D. o aluno Heng Jiang testou o óxido de manganês Mn3O4 como um eletrodo em uma bateria de íon de zinco.

O teste de hospedar íons de zinco não teve sucesso, mas em vez disso, entregou um eletrodo de bateria de cloreto sem precedentes, mostrando que as baterias hospedeiras de ânions funcionam melhor depois que os cátions ficam presos nos eletrodos.

"Esperamos que isso marque a inauguração da inserção de contra-íons como uma metodologia de eletrossíntese genérica para o projeto de materiais, "Ji disse." Os processos de descarga ou carga da bateria podem ser ferramentas de síntese poderosas, e o processo em que um eletrodo falha em fornecer as propriedades desejáveis ​​em um tipo de bateria pode ser a eletrossíntese exata necessária para criar um eletrodo excelente para outro tipo de bateria. "

Existem muitos tipos diferentes de baterias, mas todas funcionam da mesma maneira básica e contêm os mesmos componentes básicos:dois eletrodos - o ânodo, a partir do qual os elétrons fluem para um circuito externo, e o cátodo, que adquire elétrons do circuito externo - e o eletrólito, o meio químico que separa os eletrodos e permite o fluxo de íons entre eles.

A maioria das baterias, Ji explica, armazenar eletricidade por meio de cátions. Um cátion é um elemento ou uma molécula sem um ou mais elétrons e com carga positiva. Um ânion, que também pode ser usado para armazenar eletricidade, é um elemento ou molécula que tem um ou mais elétrons extras e é carregado negativamente.

"Existem menos materiais conhecidos que podem armazenar ânions reversivelmente do que para armazenar cátions, "Ji disse." Como um exemplo para armazenamento de cátions, a inserção reversível de íons de lítio levou à tecnologia das baterias de íon de lítio. "

Reversível significa que a bateria pode ser recarregada, como o de um celular.

As baterias de íon de lítio funcionam bem porque o cátion armazenado é pequeno e leve. Para armazenamento de ânions, os ânions desejáveis ​​são haletos - um único átomo de halogênio com um elétron extra. Iodo, bromo, cloro, e o flúor são os halogênios, e seus ânions são conhecidos como iodeto, brometo, cloreto e flúor.

"O cloreto é relativamente leve e pequeno em comparação com outros tipos de ânions que foram testados, íons poliatômicos volumosos como nitrato, sulfato e hexafluorofosfato, que tendem a deformar gradualmente as estruturas do eletrodo, "Ji disse.

Neste estudo, o cátodo Mn3O4 armazenou cloreto reversivelmente com grande eficácia depois que os cátions de zinco (Zn2 +) ficaram presos dentro da estrutura química do cátodo.

"Os cátions aprisionados transformam o Mn3O4 de tal forma que o armazenamento reversível do cloreto se torna muito mais viável, "Ji disse." O zinco e o cloreto são contra-íons um ao outro, que causa interações favoráveis ​​levando a propriedades sem precedentes em capacidade, potencial de operação e vida útil. O cátodo que hospeda o ânion funciona com um ânodo de metal de zinco em uma bateria de íon duplo full-cell com um eletrólito aquoso. "

As baterias de íon duplo têm cátions e ânions envolvidos na redução-oxidação eletroquímica da bateria, ou redox, reação.

As baterias da variedade de íons duplos que usam eletrólitos aquosos - eletrólitos contendo água - têm "potencial notável para armazenamento de energia de baixo custo, "Disse Ji. Em comparação com as baterias de íon de lítio, eles são mais seguros, mais ecologicamente correto e pode ser mais econômico.

"Demonstramos essa química de bateria com patente pendente em células de bolsa protótipo, que está perto da comercialização, "disse ele." Ainda mais importante, a inserção de contra-íons parece uma metodologia com importantes implicações na eletrossíntese em todo o espectro da ciência dos materiais. O conhecimento da inserção de contra-íons crescerá potencialmente exponencialmente nos próximos três a cinco anos, com muitos novos materiais a serem inventados. "