Trabalho conduzido no Centro de Inovação em Novas Energias da Unicamp contribui para a construção de uma bateria de lítio-oxigênio com melhor eficiência de ciclos e maior durabilidade, sem recorrer a materiais nobres ou de alto custo (imagem: CINE/divulgação)

Publicado em 10/11/2021

Agência FAPESP* – Pesquisadores ligados ao Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) e colaboradores deram um passo importante no desenvolvimento dos catalisadores necessários para otimizar o desempenho de baterias de lítio-oxigênio (Li-O2). Essas baterias destacam-se pela sua capacidade de armazenar muito mais energia do que as de íons de lítio atualmente existentes, mas ainda é necessário melhorar a sua ciclabilidade (a quantidade de recargas que o dispositivo permite antes do fim de sua vida útil) para que se tornem interessantes para a comercialização.

“Este trabalho contribui para a construção de uma bateria Li-O2 com melhor eficiência de ciclos e maior durabilidade, sem recorrer a materiais nobres ou de alto custo”, resume o professor da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) Gustavo Doubek, que é pesquisador principal no programa Armazenamento Avançado de Energia do CINE, um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído por FAPESP e Shell.

O funcionamento das baterias de lítio-oxigênio se baseia na reação de íons de lítio com o oxigênio do ar. Na descarga da bateria, etapa em que o dispositivo entrega energia em forma de eletricidade, essa reação gera peróxido de lítio (Li2O2), entre outros compostos. Na carga, momento em que a energia é armazenada, os produtos formados se decompõem.

O ciclo de carga-descarga se repete e, para que a bateria mantenha um bom desempenho ao longo de muitos ciclos, é fundamental que todo o peróxido de lítio formado se decomponha rapidamente. Por isso, nos últimos anos, em diversos lugares do mundo, cientistas têm dedicado esforços a desenvolver e estudar catalisadores que sejam capazes de promover a decomposição do peróxido de lítio e, ao mesmo tempo, reúnam custo relativamente baixo, bom desempenho e boa durabilidade.

Óxidos metálicos da família dos espinélios baseados em cobalto (Co), manganês (Mn) e alumínio (Al) estão entre os materiais mais promissores para essa aplicação. Esses catalisadores podem ser produzidos por meio de um método simples, de duas etapas principais. Inicialmente, a precipitação de uma solução forma óxidos de cobalto, manganês e alumínio, principalmente da família das hidrocalcitas, que são materiais lamelares, semelhantes a argilas. Na segunda etapa, que consiste em um tratamento térmico, ou seja, no aquecimento dos precipitados a 900 oC, são obtidos os espinélios, que são óxidos metálicos mais compactos.

Esse método simples já tinha sido usado para produzir catalisadores usados para decompor Li2O2 e também H2O2 (peróxido de hidrogênio), para aplicação na micropropulsão de satélites. Entretanto, os resultados nem sempre eram reprodutíveis, gerando catalisadores de diversas qualidades e desempenhos. O problema chamou a atenção de pesquisadores do CINE, que buscavam otimizar a ciclabilidade das baterias. Eles se uniram a colaboradores do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), interessados na aplicação dos catalisadores em satélites.

A equipe planejou e realizou uma série de experimentos com o objetivo de entender quais são os parâmetros desse método de obtenção de espinélios que impactam o desempenho final dos materiais como catalisadores da decomposição de peróxidos. Eles mudaram, uma a uma, diversas condições de síntese (pH e composição inicial da solução, repouso e lavagem dos precipitados, temperatura do tratamento térmico) e analisaram as características de cada um dos materiais obtidos, principalmente a sua atividade catalítica e a sua resistência mecânica.

Os materiais com as melhores características foram testados como catalisadores da decomposição de Li2O2 em uma bateria de lítio-oxigênio. Para isso, os cientistas prepararam um cátodo baseado em nanotubos de carbono “decorados” com os catalisadores de espinélio, que são partículas de até 200 nanômetros. Para fins de comparação, os pesquisadores produziram também um cátodo sem espinélio. O cátodo com catalisadores foi capaz de decompor quase todo o peróxido de lítio e melhorou significativamente o desempenho da bateria, não apenas na carga, mas também, inesperadamente, na descarga.

Esse resultado inesperado está sendo investigado atualmente por André Miranda no SLAC National Accelerator Laboratory, nos Estados Unidos. Membro do CINE, Miranda realiza doutorado na Unicamp com orientação do professor Doubek.

Os resultados obtidos até o momento, publicados na revista Catalysis Today, reforçam as vantagens dos espinélios como catalisadores para cátodos de baterias de lítio-oxigênio, bem como a importância de controlar os parâmetros no processo de obtenção desses materiais. O artigo pode ser acessado em: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0920586121003692?via%3Dihub.

* Com informações da Assessoria de Comunicação do CINE.
 

Fonte: https://agencia.fapesp.br/37286