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Três inovações juntam-se para viabilizar bateria barata, limpa e de carregamento rápido

Três inovações juntam-se para viabilizar bateria barata, limpa e de carregamento rápido

Esquema da célula para ânodos de carbono, ânodos de liga e uma configuração sem ânodo.

Três inovações na mesma bateria

Uma equipe de engenheiros e químicos dos EUA apresentou uma nova tecnologia que promete baterias baratas, de carregamento rápido e alta capacidade, adequada para veículos elétricos e outras aplicações.

É a primeira bateria de estado sólido de sódio sem ânodo do mundo.

“Embora já existissem baterias anteriores de sódio, de estado sólido e sem ânodo, ninguém havia sido capaz de combinar com sucesso essas três ideias até agora,” disse Grayson Deysher, da Universidade da Califórnia de San Diego.

Os protótipos construídos pela equipe, ainda em escala de laboratório, permaneceram estáveis por várias centenas de ciclos. Ao remover o ânodo e usar sódio em vez de lítio, esta nova arquitetura de bateria será mais acessível e mais ecológica para produzir e reciclar. E, graças ao projeto inovador de estado sólido, será também uma bateria potente e segura, sem riscos de explosões.

O lítio usado em baterias constitui cerca de 20 partes por milhão da crosta terrestre, enquanto o sódio representa 20.000 partes por milhão – ele pode ser facilmente explorado da água do mar.

Isto tornou as baterias de sódio uma das opções mais atraentes às baterias de lítio. Para isso, diversos desafios técnicos têm sido vencidos para que elas possam chegar ao mercado.

Três inovações juntam-se para viabilizar bateria barata, limpa e de carregamento rápido

Comparação teórica da densidade de energia para vários materiais de ânodo de sódio.

Bateria sem ânodo

Para criar uma bateria de sódio com a densidade de energia de uma bateria de lítio, a equipe precisou inventar uma nova arquitetura de bateria.

As baterias tradicionais possuem um ânodo, para armazenar os íons enquanto a bateria está sendo carregada. Quando a bateria está sendo usada, os íons fluem do ânodo através de um eletrólito para um coletor de corrente (cátodo), produzindo uma corrente que alimenta aparelhos eletrônicos e carros.

As baterias sem ânodo eliminam a necessidade desse eletrodo, armazenando os íons em uma deposição eletroquímica de metal alcalino diretamente no coletor de corrente. Essa abordagem permite maior tensão, menor custo e maior densidade de energia, mas traz seus próprios desafios.

“Em qualquer bateria sem ânodo, é necessário que haja um bom contato entre o eletrólito e o coletor de corrente,” contou Deysher. “Isso normalmente é muito fácil quando se usa um eletrólito líquido, já que o líquido pode fluir para todos os lados e molhar todas as superfícies. Um eletrólito sólido não pode fazer isso.”

Três inovações juntam-se para viabilizar bateria barata, limpa e de carregamento rápido

Esquema que ilustra os requisitos para viabilizar uma bateria de estado sólido totalmente livre de ânodos.

Coletor abraça o eletrólito

Para resolver este problema, a equipe criou um coletor de corrente que envolve o eletrólito, em vez de usar um eletrólito que envolve o coletor de corrente. Para isso, o coletor foi feito de alumínio em pó, um sólido que pode fluir de modo bem parecido com um líquido.

Durante a montagem da bateria, o pó é densificado sob alta pressão, para formar um coletor de corrente sólido, mantendo um contato semelhante a um líquido com o eletrólito, permitindo o ciclo de baixo custo e alta eficiência que pode impulsionar esta tecnologia revolucionária.

“As baterias de estado sólido de sódio são geralmente vistas como uma tecnologia no futuro distante, mas esperamos que este trabalho possa revigorar mais o impulso na área do sódio, demonstrando que ele pode realmente funcionar bem, ainda melhor do que a versão de lítio em alguns casos,” disse Deysher.

Bibliografia:

Artigo: Design principles for enabling an anode-free sodium all-solid-state battery
Autores: Grayson Deysher, Jin An Sam Oh, Yu-Ting Chen, Baharak Sayahpour, So-Yeon Ham, Diyi Cheng, Phillip Ridley, Ashley Cronk, Sharon Wan-Hsuan Lin, Kun Qian, Long Hoang Bao Nguyen, Jihyun Jang, Ying Shirley Meng
Revista: Nature Energy
DOI: 10.1038/s41560-024-01569-9

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