p Os veículos elétricos poderiam viajar mais longe e mais energia renovável poderia ser armazenada com baterias de lítio-enxofre que usam um nanomaterial em pó exclusivo. p Os pesquisadores adicionaram o pó, um tipo de nanomaterial chamado estrutura orgânica de metal, ao cátodo da bateria para capturar polissulfetos problemáticos que geralmente fazem com que as baterias de lítio-enxofre falhem após algumas cargas. Um artigo descrevendo o material e seu desempenho foi publicado online em 4 de abril no jornal American Chemical Society. Nano Letras .

p "As baterias de lítio-enxofre têm potencial para alimentar os veículos elétricos de amanhã, mas precisam durar mais tempo após cada carga e podem ser recarregados repetidamente, "disse o químico de materiais Jie Xiao, do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, do Departamento de Energia." Nossa estrutura de metal orgânico pode oferecer uma nova maneira de fazer isso acontecer. "

p Os veículos elétricos de hoje são normalmente movidos por baterias de íon de lítio. Mas a química das baterias de íon-lítio limita a quantidade de energia que elas podem armazenar. Como resultado, os motoristas de veículos elétricos costumam ficar preocupados com a distância que podem percorrer antes de precisar recarregar. Uma solução promissora é a bateria de lítio-enxofre, que pode conter até quatro vezes mais energia por massa do que as baterias de íon de lítio. Isso permitiria aos veículos elétricos dirigirem mais longe com uma única carga, além de ajudar a armazenar mais energia renovável. O lado negativo das baterias de lítio-enxofre, Contudo, é que eles têm uma vida útil muito mais curta porque atualmente não podem ser carregados tantas vezes quanto as baterias de íon de lítio.

p Armazenamento de energia 101

p O motivo pode ser encontrado em como as baterias funcionam. A maioria das baterias tem dois eletrodos:um é carregado positivamente e chamado de cátodo, enquanto o segundo é negativo e denominado ânodo. A eletricidade é gerada quando os elétrons fluem através de um fio que conecta os dois. Para controlar os elétrons, átomos carregados positivamente mudam de um eletrodo para o outro por outro caminho:a solução eletrolítica na qual os eletrodos ficam.

p Os principais obstáculos da bateria de lítio-enxofre são reações colaterais indesejadas que reduzem a vida útil da bateria. A ação indesejável começa no cátodo contendo enxofre da bateria, que se desintegra lentamente e forma moléculas chamadas polissulfetos que se dissolvem no eletrólito líquido. Parte do enxofre - uma parte essencial das reações químicas da bateria - nunca retorna ao cátodo. Como resultado, o cátodo tem menos material para manter as reações e a bateria morre rapidamente.

p Novos materiais para baterias melhores

p Pesquisadores em todo o mundo estão tentando melhorar os materiais de cada componente da bateria para aumentar a vida útil e o uso comum das baterias de lítio-enxofre. Para esta pesquisa, Xiao e seus colegas se concentraram no cátodo para impedir que os polissulfetos se movessem através do eletrólito.

p Muitos materiais com pequenos orifícios foram examinados para reter fisicamente os polissulfetos dentro do cátodo. Estruturas de metal orgânico são porosas, mas a força adicional do material do PNNL é sua capacidade de atrair fortemente as moléculas de polissulfeto.

p O centro de níquel carregado positivamente da estrutura liga fortemente as moléculas de polissulfeto aos cátodos. O resultado é uma ligação covalente coordenada que, quando combinado com a estrutura porosa da estrutura, faz com que os polissulfetos fiquem parados.

p "A estrutura altamente porosa do MOF é uma vantagem que mantém o polissulfeto firme e o faz permanecer dentro do cátodo, "disse o eletroquímico Jianming Zheng do PNNL.

p Nanomaterial é a chave

p Estruturas orgânicas de metal, também chamadas de MOFs, são compostos semelhantes a cristais feitos de aglomerados de metal conectados a moléculas orgânicas, ou linkers. Juntos, os clusters e ligantes se reúnem em estruturas 3-D porosas. Os MOFs podem conter vários elementos diferentes. Os pesquisadores do PNNL escolheram o níquel de metal de transição como o elemento central para este MOF específico devido à sua forte capacidade de interagir com o enxofre.

p Durante os testes de laboratório, uma bateria de lítio-enxofre com catodo MOF da PNNL manteve 89 por cento de sua capacidade de energia inicial após 100 ciclos de carga e descarga. Tendo mostrado a eficácia de seu cátodo MOF, Os pesquisadores do PNNL agora planejam melhorar ainda mais a mistura de materiais do cátodo para que ele possa reter mais energia. A equipe também precisa desenvolver um protótipo maior e testá-lo por períodos mais longos para avaliar o desempenho do cátodo no mundo real, aplicações em grande escala.

p PNNL is also using MOFs in energy-efficient adsorption chillers and to develop new catalysts to speed up chemical reactions.

p "MOFs are probably best known for capturing gases such as carbon dioxide, " Xiao said. "This study opens up lithium-sulfur batteries as a new and promising field for the nanomaterial."

p This research was funded by the Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Researchers analyzed chemical interactions on the MOF cathode with instruments at EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory at PNNL.

p Em janeiro, uma Nature Communications paper by Xiao and some of her PNNL colleagues described another possible solution for lithium-sulfur batteries:developing a hybrid anode that uses a graphite shield to block polysulfides.