Nova bateria aquosa de íon de lítio melhora a segurança sem sacrificar o desempenho

À medida que as baterias de íon de lítio que alimentam a maioria dos telefones, laptops e veículos elétricos se tornam cada vez mais rápidas e de alto desempenho, elas também se tornam cada vez mais caras e inflamáveis.

Em pesquisa publicada recentemente no Energy Storage Materials, uma equipe de engenheiros do Rensselaer Polytechnic Institute demonstrou como eles poderiam – usando eletrólitos aquosos em vez dos típicos eletrólitos orgânicos – montar uma bateria substancialmente mais segura e econômica que ainda apresenta um bom desempenho.

Se você desse uma olhada dentro de uma bateria, encontraria dois eletrodos – um ânodo e um cátodo. Esses eletrodos são imersos em um eletrólito líquido que conduz íons à medida que a bateria é carregada e descarregada.

Os eletrólitos aquosos foram observados para esse papel por causa de sua natureza não inflamável e porque, diferentemente dos eletrólitos não aquosos, eles não são sensíveis à umidade no processo de fabricação, tornando-os mais fáceis de trabalhar e mais baratos. O maior desafio com esse material tem sido manter o desempenho.

“Se você aplicar muita voltagem à água, ela eletrolisa, o que significa que a água se decompõe em hidrogênio e oxigênio”, disse Nikhil Koratkar, professor titular de engenharia mecânica, aeroespacial e nuclear da Rensselaer. “Isso é um problema, porque você produz gases de escape e o eletrólito é consumido. Então, geralmente, esse material tem uma janela de tensão muito limitada”.

Nesta pesquisa, Koratkar e seu colega de equipa que incluiu Fudong Han, uma cadeira dotado professor assistente de mecânica, aeroespacial e engenharia nuclear -usado um tipo especial de eletrólitos aquosa conhecida como uma água-em-sal eletrólito , que é menos provável que eletrólise.

Para o cátodo, os pesquisadores usaram óxido de lítio e manganês e, para o ânodo, usaram óxido de nióbio e tungstênio – um óxido complexo que Koratkar disse que nunca havia sido explorado em uma bateria aquosa antes.

“Acontece que o óxido de nióbio e tungstênio é excelente em termos de energia armazenada por unidade de volume”, disse Koratkar. “Volumetricamente, este foi de longe o melhor resultado que vimos em uma bateria aquosa de íons de lítio “.

O óxido de nióbio e tungstênio, explicou, é relativamente pesado e denso. Esse peso faz com que seu armazenamento de energia seja baseado na massa em média, mas o denso empacotamento de partículas de óxido de nióbio e tungstênio no eletrodo torna seu armazenamento de energia com base no volume bastante bom. A estrutura cristalina desse material também possui canais bem definidos – ou túneis – que permitem que os íons de lítio se difundam rapidamente, o que significa que ele pode carregar rapidamente.

A combinação da capacidade de carregamento rápido e a capacidade de armazenar uma grande quantidade de carga por unidade de volume, disse Koratkar, é rara em baterias aquosas.

Atingir esse tipo de desempenho, com baixo custo e segurança aprimorada, tem implicações práticas. Para aplicações emergentes, como eletrônicos portáteis, veículos elétricos e armazenamento em rede, a capacidade de empacotar a quantidade máxima de energia em um volume limitado se torna crítica.



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