baterias de lítio de enxofre prometem grandes capacidades energéticas, mas têm como principal desvantagem a rápida degradação que sofrem com os ciclos de carga e descarga, o que se traduz em uma vida útil curta. Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Michigan criou uma nova membrana de bateria “bio-inspirada” que permite que uma bateria de lítio-enxofre forneça cinco vezes a capacidade de energia de baterias de íon-lítio e a mantenha funcionando por mais de 1.000 ciclos necessários para alimentar um veículo elétrico .
A tecnologia da bateria Li-S é atualmente uma das mais promissoras devido às suas vantagens técnicas, econômicas e ambientais. No caso dos veículos elétricos, sua maior capacidade energética e menor custo poderiam ajudar a diminuir a diferença de preço e autonomia em relação aos modelos a combustão. Ao contrário das baterias de íon de lítio, no entanto, a reação química que ocorre dentro das baterias de enxofre leva ao acúmulo de sulfeto de lítio sólido e polissulfeto de lítio líquido, causando uma perda de material ativo no cátodo de enxofre (eletrodo negativo) e o corrosão do ânodo de lítio (eletrodo positivo). Isso se traduz diretamente em maior degradação da bateria e, portanto, em uma vida útil muito limitada.
Para resolver esse problema, a equipe de pesquisadores da Universidade de Michigan mostrou que uma membrana de nanofibra de aramida, reciclada de Kevlar permite que as baterias de lítio-enxofre superem seu calcanhar de Aquiles: Degradação.
A vida útil de uma bateria é medida pela número de ciclos de carga e descarga que é capaz de suportar sem que seja apreciada uma degradação excessiva da sua capacidade energética. No caso das baterias Li-S, existem algumas pesquisas que afirmam ter alcançado várias centenas de ciclos, mas todos eles à custa de reduzir outros parâmetros fundamentais como capacidade e potência de recarga, resiliência e até segurança. O desafio para os pesquisadores é atender às necessidades de um veículo elétrico “atendendo a cada um desses parâmetros e incluindo o custo”, diz Nicholas Kotov, professor de ciências químicas e engenharia da Universidade Irving Langmuir e diretor da pesquisa.
o engenharia biomimética dessas baterias integravam duas escalas: molecular e nanoescala. Anteriormente, a equipe contava com redes de nanofibras de aramida infundidas com um gel de eletrólito para interromper uma das principais causas dos curtos ciclos de vida dessas baterias: dendritos crescendo de um eletrodo para o outro, perfurando a membrana. A dureza das fibras de aramida detém os dendritos. No entanto, essa estratégia não foi suficiente.
As baterias de lítio-enxofre têm outro problema: as pequenas moléculas de lítio e enxofre que se formam e fluem para o lítio grudam e reduzem a capacidade da bateria. A membrana precisava permitir que os íons de lítio fluíssem do lítio para o enxofre e vice-versa, bloqueando as partículas de polissulfeto de lítio. Essa capacidade é chamada de seletividade iônica.
“Inspiramo-nos em canais de íons biológicos e projetamos rodovias para íons de lítio onde os polissulfetos de lítio não podem passar pelos pedágios”, explica Ahmet Emre, pesquisador de pós-doutorado em engenharia química e coautor do artigo publicado na Natureza Comunicações . Os íons de lítio e os polissulfetos de lítio são semelhantes em tamanho, então não bastava apenas bloquear os polissulfetos criando pequenos canais. Os pesquisadores adicionaram uma carga elétrica aos poros da membrana da bateria, aproveitando os próprios polissulfetos de lítio. Estes aderiram às nanofibras de aramida repelindo os íons de polissulfeto de lítio que continuam a se formar no eletrodo de enxofre enquanto íons de lítio carregados positivamente passaram livremente.
No início do experimento, os polissulfetos de lítio estão apenas no lado esquerdo da célula da bateria, tanto para a membrana industrial à esquerda quanto para a membrana de nanofibra de aramida à direita. Meia hora depois, a membrana industrial filtra os polissulfetos de lítio e após 96 horas a membrana de aramida bloqueia completamente os polissulfetos. Imagem Ahmet Emre, Kotov Lab.
Segundo Kotov, esta bateria tem o design “quase perfeito” ” para cumprir todos os parâmetros exigidos pelos veículos elétricos, incluindo a sustentabilidade da sua produção. Sua capacidade e eficiência estão se aproximando dos limites teóricos. Eles permitem temperaturas extremas, desde as mais altas que ocorrem durante a recarga rápida até as mais frias e de inverno. Com mais de 1.000 ciclos de carga e descarga A duração da bateria pode atingir até 10 anos.
Também oferece vantagens em termos de sustentabilidade. O enxofre é muito mais abundante do que o cobalto nos eletrodos das baterias de íon-lítio, e as fibras de aramida para a membrana podem ser recicladas de velhos coletes à prova de balas.
A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Defesa. A equipe estudou a membrana no Centro de Caracterização de Materiais de Michigan . A Universidade de Michigan patenteou a membrana e Kotov está abrindo uma empresa para trazê-la ao mercado.