Lítio-Ar vs. Lítio-Íon:insights de especialistas e comparação de desempenho

Billy Hurley, Digital Editorial Manager

“Nosso projeto de bateria de lítio-ar representa uma revolução na comunidade de baterias”, disse Amin Salehi-Khojin, professor assistente de engenharia mecânica e industrial na Universidade de Illinois em Chicago.

Salehi-Khojin e outros pesquisadores da UIC e do Laboratório Nacional de Argonne projetaram uma célula eletroquímica que funciona em um ambiente de ar natural e ainda funciona após um recorde de 750 ciclos de carga/descarga.

Uma bateria de lítio-ar combina o oxigênio do ar com o lítio presente no ânodo. A mistura produz peróxido de lítio durante a fase de descarga – e uma decomposição dos componentes de lítio e oxigênio na fase de carga.
A bateria experimental de lítio-ar. (Foto:Amin Salehi-Khojin.)
Acredita-se que as baterias de lítio-ar tenham capacidade para armazenar até cinco vezes mais energia do que as mesmas baterias de íon-lítio que alimentam os telefones, laptops e veículos elétricos atuais.

No entanto, as primeiras ideias de “ar de lítio” fracassaram frequentemente.

Quando os íons de lítio se combinam com o dióxido de carbono e o vapor de água no ar, o resultado geralmente são subprodutos que obstruem o cátodo.

Para evitar o acúmulo e permitir que a bateria opere em um ambiente de ar natural, os pesquisadores da UIC e da Argonne revestiram o ânodo de lítio com uma fina camada de carbonato de lítio. O revestimento permite seletivamente que os íons de lítio do ânodo entrem no eletrólito – ao mesmo tempo que evita que compostos indesejados cheguem ao ânodo.

In experimental designs of lithium-air batteries, oxygen enters the electrolyte through a carbon-based spongy lattice structure.

Salehi-Khojin e seus colegas revestiram a estrutura da rede com um catalisador de dissulfato de molibdênio. O eletrólito híbrido exclusivo – feito de líquido iônico e dimetilsulfóxido, um componente comum dos eletrólitos da bateria – ajudou a facilitar as reações lítio-oxigênio, minimizar as reações do lítio com outros elementos no ar e aumentar a eficiência da bateria.

Nossos leitores, no entanto, tinham dúvidas. E se a bateria estiver superaquecida? A bateria pode explodir? Existem preocupações de segurança? Como uma bateria de lítio-ar se compara a uma bateria de íons de lítio? Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow e co-autor principal do estudo, reservou um tempo para fornecer respostas ao nosso público. Veja as respostas abaixo.

Qual é a taxa de cobrança?

Curtis: A taxa de carregamento neste momento seria semelhante a uma bateria de íons de lítio. Poderia ser aumentado com mais pesquisas.

Como seu novo design supera a potência das baterias de íon-lítio?

Ao usar ligações químicas entre o Li e o oxigênio, as baterias podem armazenar muito mais energia, porque as ligações são mais densas do que as interações de intercalação entre o Li e as camadas de óxido metálico usadas nas baterias de íon-lítio.

Qual é o potencial de inflamabilidade ou explosão (se perfurado, superaquecido, sobrecarregado, etc.)?

Curtis: Um componente da bateria Li-air que publicamos é o ânodo de lítio. Sabe-se que isso pode causar uma explosão. Muitos cientistas estão trabalhando no problema da segurança do ânodo de lítio e provavelmente farão muito esforço para torná-lo seguro. No entanto, vale a pena mencionar que protegemos a superfície do ânodo de Li com um material eletricamente isolante, mas ionicamente condutor, a fim de evitar qualquer explosão devido ao curto-circuito da bateria entre o ânodo e o cátodo. Isso também evita o superaquecimento da bateria.

Quais são os modos de falha esperados?

Curtis: Isto será investigado durante a expansão.

Alguma outra preocupação de segurança? A densidade de energia das baterias padrão de íons de lítio é igual à do TNT. Suas baterias têm 5x essa densidade de energia. Embora em teoria limitem as reacções indesejadas destes revestimentos finos, existem outros contaminantes potenciais no ar (CO2 N2, etc.). Alguns destes poderão tornar-se corrosivos e quebrar as camadas? Poderiam ocorrer curtos-circuitos internos revertendo uma única célula, levando ao incêndio?

Curtis: A bateria foi desenvolvida apenas em escala de laboratório, onde não apresentou nenhum desses problemas de segurança durante os testes. O próximo passo seria transformar essas pequenas células em baterias, testá-las e descobrir quais são os problemas de segurança e resolvê-los. No entanto, acreditamos que o superaquecimento devido à reversão da célula não ocorreria em nosso sistema devido à robusta camada de proteção da superfície do ânodo de Li.

O que você acha? Você tem mais perguntas sobre baterias de lítio-ar? Share them below.
Um desenho esquemático da bateria de lítio-ar. (Crédito:UIC e Laboratórios Nacionais Argonne.)