Projeto de eletrocatalisadores para melhorar a cinética SRR em baterias Li||S. Crédito:Nanotecnologia da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01614-4 As baterias de lítio-enxofre (Li-S) são uma alternativa promissora às baterias de íon-lítio (LiBs), a tecnologia de bateria recarregável mais comum. Como o enxofre é abundante na Terra, estas baterias poderiam ser mais baratas e mais ecológicas do que as LiBs, ao mesmo tempo que exibem potencialmente densidades de energia mais elevadas.
Apesar destas vantagens, a implantação de baterias Li-S tem sido até agora limitada, uma vez que muitas destas baterias também têm um ciclo de vida baixo e uma elevada taxa de autodescarga. Além disso, a alta densidade de energia prevista para baterias Li-S muitas vezes torna-se muito menor quando em aplicações reais, devido às altas taxas de carga e descarga.
Uma reação química que desempenha um papel central na garantia da alta capacidade das baterias Li-S é a chamada reação de redução de enxofre (SRR). Esta reação tem sido amplamente estudada, mas suas tendências cinéticas em altas taxas de corrente permanecem pouco compreendidas.
Pesquisadores da Universidade de Adelaide, da Universidade de Tianjin e do Australian Synchrotron realizaram recentemente um estudo com o objetivo de delinear a tendência cinética do SRR, para informar o desenvolvimento futuro de baterias Li-S de alta potência. O artigo deles, publicado na Nature Nanotechnology , também apresenta um eletrocatalisador de carbono nanocompósito que aumenta o desempenho das baterias Li-S, atingindo uma retenção da capacidade de descarga de aproximadamente 75%.
"A atividade dos eletrocatalisadores para a reação de redução de enxofre (SRR) pode ser representada usando gráficos de vulcões, que descrevem tendências termodinâmicas específicas", escreveram Huan Li, Rongwei Meng e seus colegas em seu artigo. "No entanto, uma tendência cinética que descreva o SRR em altas taxas de corrente ainda não está disponível, limitando nossa compreensão das variações cinéticas e dificultando o desenvolvimento de baterias Li || S de alta potência. Usando o princípio de Le Chatelier como diretriz, estabelecemos uma Tendência cinética SRR que correlaciona concentrações de polissulfeto com correntes cinéticas."
Para examinar melhor a tendência cinética do SRR em altas correntes, os pesquisadores também coletaram medições de espectroscopia de adsorção de raios X síncrotron e executaram vários cálculos orbitais moleculares. No geral, seus resultados sugerem que a ocupação orbital em catalisadores baseados em metais de transição está ligada à concentração de polissulfeto nas baterias e, consequentemente, também às previsões cinéticas do SRR.
Com base na tendência cinética que delinearam, Li, Meng e seus colaboradores projetaram um novo eletrocatalisador nanocompósito composto por um material à base de carbono e aglomerados de CoZn. Eles então integraram esse catalisador em uma célula de bateria Li-S e testaram seu desempenho, concentrando-se nas taxas de carga e descarga.
“Quando o eletrocatalisador é usado em um eletrodo positivo à base de enxofre (5 mg cm
−2
de carga de S), a célula tipo moeda Li||S correspondente (com uma proporção de massa eletrólito:S de 4,8) pode ser ciclada por 1.000 ciclos a 8°C (ou seja, 13,4 A gS
−1
, com base na massa de enxofre) e 25°C", escreveram os pesquisadores.
"Esta célula demonstra uma retenção da capacidade de descarga de cerca de 75% (capacidade de descarga final de 500 mAh gS
−1
) correspondendo a uma potência específica inicial de 26.120 W kgS
−1
e energia específica de 1.306 Wh kgS
−1
."
No geral, o estudo recente de Li, Meng e seus colegas mostra que concentrações aumentadas de polissulfeto promovem uma cinética de SRR mais rápida; assim, catalisadores que aumentem a concentração de polissulfeto poderiam acelerar esta reação. Este resultado foi validado tanto por meio de cálculos teóricos quanto de medições experimentais.
Com base em suas observações, os pesquisadores já introduziram um eletrocatalisador que melhora a retenção de capacidade e a estabilidade cíclica de uma bateria Li-S. No futuro, o seu trabalho poderá inspirar o design de outros catalisadores promissores, contribuindo potencialmente para o desenvolvimento de novas tecnologias de baterias Li-S de alta potência.
