Investigadores projetaram uma nova bateria de lítio-ar que pode armazenar muito mais energia por volume de bateria do que os atuais designs de íons de lítio. A nova bateria usa um eletrólito composto sólido baseado em nano partículas que contêm lítio. O eletrólito é incorporado numa matriz feita de um material especial chamado polímero de óxido de polietileno-cerâmica.
A abordagem desta nova bateria difere das baterias convencionais, onde o eletrólito é um líquido. Esta bateria de lítio-ar de estado sólido é a primeira a atingir uma reação química de quatro elétrons à temperatura ambiente. Isto é importante porque a maioria das reações de lítio envolve um ou dois elétrons. Reações envolvendo mais elétrons significam mais armazenamento de energia.
Os investigadores mostraram que a bateria pode ser recarregada por pelo menos 1.000 ciclos de carga-descarga. Mas os investigadores consideram que o desenvolvimento do design de lítio-ar pode atingir uma densidade de energia recorde de 1.200 watts/hora por quilograma. Uma densidade é quatro vezes maior do que as baterias de íons de lítio.
O impacto no mercado da energia
A nova bateria de lítio-ar tem a maior densidade projetada de armazenamento de energia entre todas as tecnologias consideradas para a próxima geração de baterias. Esta tecnologia poderá aumentar drasticamente a quantidade de energia que as baterias podem armazenar. O uso de um eletrólito de estado sólido em vez de um eletrólito líquido também reduzirá drasticamente as preocupações com a segurança em caso de incêndio.
Além disso, esta inovação abre novas ideias para o desenvolvimento de uma química de baterias à base de lítio que funcione em temperatura ambiente. Estes projetos no futuro poderão alcançar um armazenamento de energia ainda maior.
Desenvolvimento técnico
Desenvolver uma bateria com densidade energética comparável à da gasolina é um objetivo há muito procurado por investigadores no desenvolvimento de baterias. Uma bateria de lítio-ar baseada na formação de óxido de lítio (Li₂O) apresenta esse potencial teórico. Baterias de lítio-ar oferecem grande potencial devido à sua alta densidade energética e baixo custo. Até o momento, as demonstrações com baterias de lítio-ar limitaram-se a processos de reação de um ou dois elétrons, resultando na formação de superóxido de lítio (LiO₂) ou peróxido de lítio (Li₂O₂), respectivamente.
Os cientistas do Illinois Institute of Technologye do Argonne National Laboratory desenvolveram uma nova abordagem baseada em um processo de reação de quatro elétrons para produzir a formação e decomposição de óxido de lítio (Li₂O), permitindo que a bateria forneça uma densidade de energia muito maior em comparação à tecnologia atual de íons de lítio.
A implementação bem-sucedida da reação de quatro elétrons na bateria de lítio-ar depende da utilização de um eletrólito de estado sólido combinado com um catalisador, fosfeto de trimolibdênio (Mo3P). O eletrólito composto incorporado com nanopartículas de Li10GeP2S12 exibe alta condutividade e estabilidade iônica e alta estabilidade de ciclo.
A microscopia eletrónica de transmissão criogénica de baixa dose realizada no Center for Nanoscale Materials, uma instalação do Department of Energy Office of Science, confirma o mecanismo de reação, que favorece a química da reação de quatro elétrons pela formação reversível e decomposição de Li₂O como o principal produto.
Os investigadores descobriram que a bateria é recarregável por pelo menos 1.000 ciclos em temperatura ambiente, o que representa um progresso significativo em direção às aplicações práticas de baterias de lítio-ar.
