Para atender às demandas de um futuro elétrico, novas tecnologias de bateria serão essenciais. Uma opção são baterias de lítio-enxofre, que oferecem uma densidade de energia teórica mais de cinco vezes maior do que as baterias de íon de lítio. Pesquisadores da Chalmers University of Technology, Suécia, revelou recentemente um avanço promissor para este tipo de bateria, usando um católito com a ajuda de uma esponja de grafeno.

A nova ideia dos pesquisadores é porosa, Aerogel esponjoso feito de óxido de grafeno reduzido que atua como um eletrodo autônomo na célula da bateria e permite uma utilização melhor e mais alta de enxofre.

Uma bateria tradicional consiste em quatro partes. Primeiro, existem dois eletrodos de suporte revestidos com uma substância ativa, que são conhecidos como ânodo e cátodo. Entre eles está um eletrólito, geralmente um líquido, permitindo que os íons sejam transferidos para frente e para trás. O quarto componente é um separador, que atua como uma barreira física, impedindo o contato entre os dois eletrodos, embora ainda permitindo a transferência de íons.

Os pesquisadores já experimentaram combinar o cátodo e o eletrólito em um único líquido, um chamado 'católito'. O conceito pode ajudar a economizar peso na bateria, além de oferecer um carregamento mais rápido e melhores recursos de energia. Agora, com o desenvolvimento do aerogel de grafeno, o conceito se mostrou viável, oferecendo alguns resultados muito promissores.

Pegando um estojo de bateria de célula tipo moeda padrão, os pesquisadores primeiro inseriram uma fina camada de aerogel de grafeno poroso. "Você pega o aerogel, que é um cilindro longo e fino, e então você o corta - quase como um salame. Você pega aquela fatia, e comprimi-lo para caber na bateria, "diz Carmen Cavallo, do Departamento de Física da Chalmers, e pesquisador principal do estudo. Então, uma solução rica em enxofre, o católito, é adicionado à bateria. O aerogel altamente poroso atua como suporte, absorvendo a solução como uma esponja.

"A estrutura porosa do aerogel de grafeno é fundamental. Ele absorve uma grande quantidade de católito, dando a você uma carga de enxofre alta o suficiente para fazer o conceito de católito valer a pena. Este tipo de católito semilíquido é realmente essencial aqui. Ele permite que o enxofre circule para frente e para trás sem nenhuma perda. Não é perdido por meio da dissolução, porque já está dissolvido na solução de católito, "diz Carmen Cavallo.

Parte da solução de católito é aplicada ao separador também, para que ele cumpra sua função eletrolítica. Isso também maximiza o conteúdo de enxofre da bateria.

A maioria das baterias disponíveis comercialmente são baterias de íon de lítio. Mas este tipo de bateria está chegando ao limite, e novas abordagens químicas estão se tornando essenciais para aplicações com maiores requisitos de energia. As baterias de lítio-enxofre oferecem várias vantagens, incluindo densidade de energia muito maior. As melhores baterias de íon de lítio atualmente no mercado operam com cerca de 300 watts-hora por kg, com um máximo teórico de cerca de 350. Enquanto isso, baterias de lítio-enxofre, têm uma densidade de energia teórica de cerca de 1000-1500 watts-hora por kg.

"Além disso, enxofre é barato, altamente abundante, e muito mais amigo do ambiente. As baterias de lítio-enxofre também têm a vantagem de não precisar conter flúor prejudicial ao meio ambiente, como é comumente encontrado em baterias de íon de lítio, "diz Aleksandar Matic, Professor do Departamento de Física Chalmers, quem lidera o grupo de pesquisa por trás do artigo.

O problema com as baterias de lítio-enxofre até agora tem sido sua instabilidade, e conseqüente ciclo de vida baixo. As versões atuais se degeneram rapidamente e têm uma vida útil limitada com um número impraticávelmente baixo de ciclos. Mas ao testar seu novo protótipo, os pesquisadores Chalmers demonstraram uma retenção de capacidade de 85 por cento após 350 ciclos.

O novo design evita os dois principais problemas com a degradação das baterias de lítio-enxofre - um, que o enxofre se dissolve no eletrólito e é perdido, e dois, um 'efeito de vaivém, 'por meio do qual as moléculas de enxofre migram do cátodo para o ânodo. Neste projeto, esses problemas indesejáveis ​​são drasticamente reduzidos.

O artigo, "Um aerogel de óxido de grafeno reduzido autônomo como eletrodo de suporte em um Li sem flúor ₂ S ₈ bateria católito Li-S, "é publicado no Journal of Power Sources .

Os pesquisadores observam, Contudo, que ainda há uma longa jornada a percorrer antes que a tecnologia possa atingir todo o potencial de mercado. "Uma vez que essas baterias são produzidas de uma forma alternativa a partir da maioria das baterias normais, novos processos de fabricação precisarão ser desenvolvidos para torná-los comercialmente viáveis, "diz Aleksandar Matic.