p (Phys.org) - Como o nome sugere, As baterias Li-air usam ar para operar, puxando moléculas de oxigênio para usar em um sistema poroso, cátodo à base de carbono, ao usar lítio no ânodo. Porque usar ar significa que a bateria não precisa armazenar uma fonte de carga pesada no cátodo, as baterias podem fornecer uma densidade de energia extremamente alta, segurando quase tanta energia em um determinado volume quanto a gasolina, e 5 a 10 vezes mais do que as baterias de íon-lítio. Apesar deste grande apelo, As baterias de lítio ainda enfrentam muitas limitações que as impedem de ser comercializadas. Em um novo estudo, uma equipe de pesquisadores enfrentou um desses desafios:reversibilidade, o que é necessário para recarregar a bateria várias vezes. p Os pesquisadores, Thomas Arruda, Amit Kumar, Sergei Kalinin, e Stephen Jesse no Oak Ridge National Laboratory no Tennessee, publicaram um artigo em uma edição recente da Nanotecnologia em que eles exploram fatores que controlam a reversibilidade do crescimento de partículas em um eletrólito subjacente a baterias de Li-air e nanobaterias.

p “Acreditamos que este trabalho abre caminho para estudar a eletroquímica irreversível ou quase reversível em nanoescala - em sistemas de materiais que vão desde baterias de lítio a campos mais estabelecidos, como corrosão, galvanoplastia, e muitos outros, ”Kalinin disse Phys.org .

p “Baterias de Li primárias, que não são recarregáveis ​​e descartáveis, têm altas densidades de energia e estão disponíveis comercialmente desde 1960; Contudo, eles só podem ser usados ​​uma vez, ”Disse Arruda. “Para que essas células sejam competitivas, por exemplo, com combustíveis fósseis (ou seja, aplicações automotivas), eles precisam ser recarregados centenas, se não milhares, de vezes. Considere a média de reabastecimento de passageiros uma vez por semana. Isso equivale a mais de 500 preenchimentos ao longo de uma década. Uma bateria automotiva Li-air precisaria atender a este critério, mesmo sem considerar o custo ou outras métricas importantes. Na verdade, a reversibilidade continua a ser a tarefa mais importante e difícil de alcançar para baterias de Li-air, conforme evidenciado pelo intenso escrutínio dos principais especialistas em bateria. ”

p Quando uma bateria de Li-air carregada está em uso, os íons Li no ânodo viajam para o cátodo, onde eles reagem com o oxigênio por meio de uma reação de redução de oxigênio. Os elétrons resultantes dessa reação são então colhidos e usados ​​para fornecer eletricidade para dispositivos eletrônicos. Para recarregar a bateria, os íons de lítio devem viajar do cátodo de volta para o ânodo. Como explicam os pesquisadores, a razão pela qual é tão difícil tornar as baterias de ar de lítio recarregáveis ​​é porque as baterias combinam os processos mais difíceis usados ​​em baterias e células de combustível.

p “Na base desses processos está uma abundância de produtos químicos desfavoráveis, como a baixa solubilidade dos produtos de reação (espécies LiOx), cinética de reação lenta, e a propensão do metal Li de reagir desfavoravelmente com quase tudo, ”Jesse disse. “Para o caso do ânodo, a eletrodeposição de íons de lítio em lítio metálico freqüentemente prossegue com a formação de partículas de lítio semelhantes a agulhas, chamadas dendritos. Essas partículas afetam negativamente a bateria (1) tornando-se desconectadas do ânodo e, portanto, indisponíveis para participar da reação e (2) aumentando o risco de um curto-circuito interno que poderia causar fuga térmica e incêndio. No cátodo, a reação de redução de oxigênio continua sendo um desafio tão grande para as baterias de lítio quanto para as células de combustível. Quando as duas reações são combinadas, eles formam uma mistura de produtos insolúveis que são difíceis de reagir ao contrário e, eventualmente, sufocam o cátodo. ”

p Em seu estudo, os pesquisadores usaram um microscópio de força atômica (AFM) para investigar a reversibilidade da bateria, analisando o crescimento de partículas de Li. Ao varrer a polarização de uma ponta de AFM de 20 nm através da superfície de um eletrólito de cerâmica de vidro condutor de íon de lítio, eles mediram a mudança na altura da ponta durante o processo de ciclagem. Eles descobriram que aumentos e diminuições na altura da ponta correspondem a mudanças na corrente, permitindo-lhes demonstrar a existência de reversibilidade, bem como mapear o grau de reversibilidade em diferentes locais.

p No futuro, os pesquisadores esperam melhorar ainda mais a reversibilidade, e observe que as baterias de lítio ainda enfrentam muitos outros desafios antes de serem comercializadas.

p “Desenvolvimentos tecnológicos e engenharia de sistemas em todos os principais componentes das baterias Li-air são necessários para trazer esta tecnologia ao mercado, ”Kalinin disse. “Melhores catalisadores são necessários no cátodo, A proteção do ânodo de Li sem impedimento funcional permanece primordial, e eletrólitos multifuncionais superiores precisam ser desenvolvidos. A necessidade onipresente de entender os processos fundamentais no nível mais básico dos principais componentes da bateria continua sendo uma prioridade. Somente após uma compreensão abrangente dos processos elementares ser alcançada, os produtos químicos podem ser ajustados e os sistemas adequadamente projetados para atender às métricas exigidas pela aplicação. ”

p Se os pesquisadores puderem superar esses desafios, As baterias de ar lítio podem armazenar energia para uma ampla variedade de aplicações.

p “Se baterias de Li-air pudessem ser realizadas, a aplicação principal seria para transporte e outras situações onde a mobilidade é necessária (como laptops, etc.), uma vez que serão muito leves para a quantidade de energia que armazenam, ”Disse Arruda. “A otimização das baterias Li-air para incluir um grande número de ciclos de carga / descarga reduzirá o custo e tornará os veículos totalmente elétricos uma realidade sem a necessidade de baterias pesadas, como é a situação atual. Além disso, é fácil imaginar essa tecnologia (nanobaterias de Li-air) sendo aplicada a sistemas microeletromecânicos e nanoeletromecânicos (MEMS e NEMS). Esses podem ser os sistemas ideais para empregar tais fontes de energia, pois teriam demandas de energia muito mais baixas e poderiam operar por longos períodos de tempo. ” p Copyright 2012 Phys.Org
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