Lítio-Ar vs. Lítio-Íon: Insights de Especialistas e Comparação de Desempenho

"Nosso design de bateria 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 colegas pesquisadores da UIC e do Laboratório Nacional Argonne projetaram uma célula eletroquímica que funciona em ambiente de ar natural e ainda funciona após 750 ciclos de carga/descarga, um recorde.

Uma bateria lítio-ar combina oxigênio do ar com lítio presente no ânodo. A mistura produz peróxido de lítio durante a fase de descarga — e uma decomposição de componentes de lítio e oxigênio na fase de carga.

Acreditava-se que baterias lítio-ar têm capacidade de armazenar até cinco vezes mais energia que as mesmas baterias de lítio-íon que alimentam telefones, laptops e veículos elétricos atuais.

Ideias iniciais de "lítio-ar", no entanto, frequentemente falharam.

Quando íons de lítio se combinam com dióxido de carbono e vapor de água no ar, o resultado frequentemente foram subprodutos que obstruíam o cátodo.

Para evitar o acúmulo e permitir que a bateria operasse em ambiente de ar natural, os pesquisadores da UIC e Argonne revestiram o ânodo de lítio com uma fina camada de carbonato de lítio. O revestimento permite seletivamente que íons de lítio do ânodo entrem no eletrólito — enquanto impede compostos indesejados de atingir o ânodo.

Em designs experimentais de baterias lítio-ar, o oxigênio entra no eletrólito através de uma estrutura de rede esponjosa baseada em carbono.

Salehi-Khojin e colegas revestiram a estrutura de rede com um catalisador de dissulfato de molibdênio. O eletrólito híbrido único — feito de líquido iônico e dissulfeto de dimetila, um componente comum de eletrólitos de bateria — ajudou a facilitar reações lítio-oxigênio, minimizar reações de lítio com outros elementos no ar e aumentar a eficiência da bateria.

Nossos leitores, no entanto, tiveram perguntas. E se a bateria superaquecer? A bateria pode explodir? Há preocupações de segurança? Como uma bateria lítio-ar se compara a uma bateria lítio-íon? Larry Curtiss, Fellow Distinto do Argonne e co-autor principal do estudo, respondeu às perguntas da nossa audiência. Veja as respostas abaixo.

Qual a taxa de carregamento?

Curtiss: A taxa de carregamento neste momento seria similar a uma bateria Li-ion. Poderia ser aumentada com mais pesquisa.

Como seu novo design supera baterias Li-ion?

Usando ligações químicas entre Li e oxigênio, as baterias podem armazenar muito mais energia, porque as ligações são mais densas que as interações de intercalação entre Li e as camadas de óxido metálico usadas em baterias Li-ion.

Qual o potencial de inflamabilidade ou explosão (se perfurada, superaquecida, sobrecarregada, etc.)?

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

Quais os modos de falha esperados?

Curtiss: Isso será investigado durante a escala.

Outras preocupações de segurança? A densidade de energia de baterias Li-Ion padrão é igual à de TNT. Suas baterias têm 5x essa densidade. Embora em teoria limitem reações indesejadas por essas camadas finas, há outros contaminantes potenciais no ar (CO2, N2, etc.) Alguns destes poderiam se tornar corrosivos e degradar as camadas? Poderia desenvolver curtos-circuitos internos revertendo uma única célula levando a incêndio?

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

O que você acha? Tem mais perguntas sobre baterias lítio-ar? Compartilhe abaixo.