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Resolvido o mistério das baterias de íons de lítio

Descobertas abrem caminho para baterias mais eficientes

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Climatewire

Por Umair Irfan e ClimateWire

 No esforço de criar baterias que armazenem mais energia e custem menos, muitos pesquisadores estão buscando retornos de desempenho menores com materiais exóticos e substâncias químicas, entre eles ar de lítio, metal líquido e sal fundido.

Um dos problemas é que cientistas ainda estão às voltas com a física fundamental por trás de baterias e descobrindo que, em alguns casos, eles andaram fazendo tudo errado.

Em 8 de abril, pesquisadores delinearam na publicação científica Nature Communications uma nova compreensão de como a energia transita dentro de certos tipos de cátodos (eletrodos positivos) e ânodos (eletrodos negativos) em células, derrubando uma sabedoria convencional que reinou por mais de 80 anos.

Até recentemente, pesquisadores modelavam a forma como elétrons se moviam em cátodos e ânodos usando a equação de Butler-Volmer, que descreve como correntes elétricas respondem a potenciais elétricos. Com base em trabalhos do químico John Alfred Valentine Butler, Max Volmer descreveu essa relação em 1930, apoiado em medições empíricas.

Na época, experimentos confirmaram os resultados, mas à medida que pesquisadores elaboraram novos tipos de baterias e desenvolveram instrumentos de teste aprimorados, o modelo passou a falhar.

 

Uma falha que 2000 artigos científicos não notaram?

Peng Bai, um pós-doutorado associado do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e um coautor do artigo, comentou que essa ideia despertou seu interesse ao se deparar com um experimento japonês com células de fosfato de ferro de lítio. “A tradicional equação Butler-Volmer não se aplica à aqueles dados”, observou.

Era surpreendente que cientistas não entendessem plenamente o comportamento do fosfato de ferro-lítio, dada à sua prevalência. “Ele é amplamente utilizado em baterias comerciais”, argumentou Bai. “Este material foi investigado em mais de dois mil artigos científicos”.

Muitos estudos anteriores presumiram que o desempenho de uma bateria de fosfato de ferro-lítio dependia da velocidade com que os íons de lítio podiam se mover entre o eletrólito líquido e o eletrodo sólido. Bai e seu orientador, o professor de engenharia química Martin Bazant do MIT, testaram isso com uma célula dotada de um eletrodo poroso com um revestimento de carbono.

Analisando seu desempenho, os pesquisadores descobriram que a equação de Butler-Volmer não se encaixava bem nos resultados, mas um outro modelo, a teoria Marcus-Hush-Chidsey, combinava perfeitamente com a produção (o output) de energia.

Essa teoria rege a forma como elétrons se movem ao nível atômico. Nesse caso, isso significa que a velocidade com que elétrons se movem entre o eletrodo poroso e seu revestimento de carbono é o principal fator limitante no desempenho da célula. Comparativamente, o movimento de íons de lítio é rápido demais para desempenhar um papel relevante no comportamento da bateria.

Os dois modelos se distinguiam especialmente nos limites do desempenho da célula. “A diferença realmente está no regime de alta tensão”, explicou Bai. “Em meu artigo, a diferença entra em ação em tensões superiores a 100 milivolts”.

 

O caminho para baterias melhores

Consequentemente, pesquisadores terão de incluir taxas de transferência de elétrons em seus modelos para baterias ou então o desempenho no mundo real não se alinhará com as simulações. Os resultados também abrem novos caminhos para otimizar a performance de baterias, como usar estruturas de nanopartículas.

Rudolph Marcus, um professor de química no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), que não esteve envolvido nessa pesquisa, descreveu o artigo como “um grande avanço, especialmente para a nanotecnologia”.

O trabalho de Marcus em reações de transferência de elétrons, que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Química de 1992, formou a base para os mecanismos descritos no estudo de Bai. Compreender melhor os fundamentos algum dia poderia resultar em importantes ganhos de desempenho em baterias, de acordo com Marcus. Isso permitiria que um conjunto de tecnologias limpas de baterias em grade neutralizasse oscilações de energia não só em turbinas eólicas e painéis solares, mas também em veículos de emissões zero.

Agora, a abordagem deverá examinar cada passo na operação de uma célula. “Quando se trata de detalhes para cada etapa individual, processos individuais, sempre há espaço para aprimoramentos”, resumiu Marcus.

Reproduzido de ClimateWire com permissão da Environment & Energy Publishing, LLC. www.eenews.net, 202-628-6500

Sciam 8 de abril de 2014

sciambr16abr2014