Um dos novos tipos de bateria mais promissores para alimentar carros elétricos é chamada de bateria de lítio-ar, que pode armazenar até quatro vezes mais energia por libra do que as melhores baterias de íon de lítio da atualidade. Mas o progresso tem sido lento:a natureza das reações eletroquímicas à medida que essas baterias são carregadas continua mal compreendida.

Pesquisadores do MIT e Sandia National Laboratories usaram imagens de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) para observar, a nível molecular, o que acontece durante uma reação chamada evolução de oxigênio à medida que as baterias de lítio-ar carregam; acredita-se que essa reação seja um gargalo que limita outras melhorias para essas baterias. A técnica TEM pode ajudar a encontrar maneiras de tornar essas baterias práticas em um futuro próximo.

O trabalho é descrito em um Nano Letras artigo de Robert Mitchell, que recentemente recebeu um PhD em ciência de materiais e engenharia do MIT; o estudante de doutorado em engenharia mecânica Betar Gallant; Carl Thompson, o Professor Stavros Salapatas de Ciência e Engenharia de Materiais; Yang Shao-Horn, o Professor Associado Gail E. Kendall de Engenharia Mecânica e Ciência e Engenharia de Materiais; e quatro outros autores.

Oxidação em ação

As novas observações mostram, pela primeira vez, a oxidação do peróxido de lítio, o material formado durante a descarga em uma bateria de lítio-ar. Com altas taxas de cobrança, esta oxidação ocorre principalmente no limite entre o peróxido de lítio e o substrato de carbono no qual ele cresce durante a descarga - neste caso, nanotubos de carbono com várias paredes usados ​​no eletrodo da bateria.

O confinamento a esta interface, Shao-Horn diz, mostra que é a resistência do peróxido de lítio a um fluxo de elétrons que limita o carregamento dessas baterias em condições práticas de carregamento.

Uma ponta de sonda revestida com eletrólito serve como eletrodo oposto para remover íons de lítio durante o carregamento, à medida que os elétrons fluem através da estrutura do nanotubo para o circuito externo. Durante o carregamento, as partículas de peróxido de lítio encolhem começando na interface nanotubo-peróxido, mostrando que a oxidação ocorre onde é mais fácil remover os elétrons.

"O transporte de lítio pode acompanhar, "Shao-Horn diz, o que indica que o transporte de elétrons pode ser um limite crítico no carregamento de baterias para veículos elétricos.

Carregamento mais rápido

Na verdade, a taxa de oxidação do peróxido de lítio nesses experimentos foi aproximadamente 100 vezes mais rápida do que o tempo de carregamento para baterias de lítio-ar em escala de laboratório, e aborda o que é necessário para os aplicativos. Isso demonstra que, se as características de transferência de elétrons dessas baterias puderem ser melhoradas, poderia permitir um carregamento muito mais rápido, minimizando as perdas de energia.

"Isso fornece insights sobre como projetar o eletrodo de ar, "Shao-Horn diz." Até onde sabemos, esta é a primeira evidência direta de que o transporte de elétrons está limitando a carga. "

Gallant diz que esta descoberta sugere que o desempenho da bateria de lítio-ar melhoraria se os eletrodos tivessem uma estrutura de alta área de superfície para maximizar o contato entre o peróxido de lítio e o carbono necessário para transportar os elétrons durante o carregamento.

A "próxima etapa muito crítica, "Shao-Horn diz, será medir as correntes reais durante o carregamento. Sua equipe está trabalhando com pesquisadores do Sandia National Laboratories, alguns dos quais foram co-autores deste artigo.

Jie Xiao, um pesquisador do Pacific Northwest National Laboratory que não esteve envolvido nesta pesquisa, diz, "Este trabalho identificou a principal condição limitante, transporte de elétrons ... fornecendo uma contribuição crítica. "

Xiao acrescenta, "Este é um ótimo exemplo de como a pesquisa fundamental pode melhorar significativamente nossa compreensão para resolver desafios em dispositivos práticos. As informações fornecidas neste documento irão beneficiar o projeto racional do eletrodo de ar das baterias de lítio-ar.… Esta pesquisa é de alta qualidade e atrairá um amplo interesse. "

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.