Baterias de lítio-oxigénio (LiO₂) oferecem mais de 10 vezes a densidade energética das baterias convencionais de íons de lítio, o que as torna atraentes para veículos elétricos e armazenamento de energia em rede. No entanto, as baterias de lítio-oxigénio enfrentam sérias limitações, como a cinética de reação lenta no cátodo e metal de lítio instável no ânodo.
Os desafios das baterias de lítio-oxigénio são a perda de capacidade, alto sobrepotencial e crescimento perigoso de dendritos. Desenvolvimentos anteriores melhoraram o cátodo ou o ânodo individualmente, mas uma abordagem unificada permanece indefinida.
Além disso, produtos de descarga comuns, como Li₂O₂ e Li₂CO₃, podem obstruir os poros e degradar o desempenho. Para os investigadores, devido aos desafios persistentes, são necessários e urgentes novos materiais e estratégias integradas para impulsionar as baterias de LiO₂ para o seu uso prático.
Investigadores do Instituto de Tecnologia de Harbin (Shenzhen) e da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz desenvolveram um material catalisador de dupla função que aborda as duas principais barreiras no desenvolvimento de baterias de LiO₂. Os resultados do estudo, já publicados na “eScience”, apresentam um catalisador de níquel atómico de baixa carga (Ni–N/rGO) que melhora as reações catódicas e protege o ânodo de lítio. O design inovador não melhora apenas a eficiência energética e o desempenho do ciclo, mas também oferece insights sobre o transporte de carga e o comportamento de deposição de lítio. Uma abordagem integrada que abre novos caminhos para a construção de baterias de LiO₂ duráveis e de alta capacidade.
A equipa de investigadores sintetizou sítios de níquel em escala atómica – átomos individuais e nanoaglomerados – dispersos em óxido de grafeno reduzido (rGO) dopado com nitrogénio. O material, denominado Ni2–N/rGO, demonstrou catalisar as reações de redução e evolução de oxigénio (ORR/OER) com eficiência excecional. Comparado aos cátodos tradicionais, o novo catalisador atingiu mais de 16.000 mAh g⁻¹ em capacidade de descarga e ciclos estáveis ao longo de 200 ciclos. Simulações da teoria funcional da densidade (DFT) confirmaram que sítios atómicos adjacentes de Ni aumentam a adsorção de LiO₂ e reduzem as barreiras de energia para a decomposição de Li₂O₂, explicando o sobrepotencial reduzido (1,08 V).
Os investigadores realçam que Ni₂–N/rGO também serve como um revestimento protetor para ânodos de metal de lítio. Quando aplicado, reduz a formação de dendritos e a corrosão, estendendo a vida útil da bateria para 300 ciclos sob condições de alta corrente. Microscopia e espectroscopia de impedância confirmaram que a camada protetora mantém a integridade estrutural e a migração suave de Li⁺. As análises DEMS e XPS reforçaram ainda mais a capacidade do material de permitir reações reversíveis sem subprodutos parasitas. Ao resolver problemas-chave em ambos os elétrodos, este catalisador multifuncional demonstra como a engenharia atómica pode redefinir os limites de desempenho das baterias da próxima geração.
“Este trabalho é significativo porque resolve dois problemas de longa data em baterias de lítio-oxigénio usando um único material”, disse Deping Li, autor sénior do estudo. “Ao projetar catalisadores de níquel atomicamente dispersos que simultaneamente melhoram a cinética da reação do cátodo e estabilizam o ânodo de lítio, mostramos um caminho claro para sistemas LiO₂ práticos e de alto desempenho. A combinação de teoria, caracterização in situ e testes de ciclagem em condições reais torna esta uma estrutura atraente para futuras investigações.”
O catalisador de dupla função Ni-N/rGO apresenta uma solução escalável para os principais gargalos no desenvolvimento de baterias de LiO₂, tornando-o promissor para aplicações comerciais de armazenamento de energia. A capacidade de reduzir a polarização, suprimir dendritos e garantir ciclagem de alta taxa pode acelerar a implantação de sistemas LiO₂ em veículos elétricos, sistemas eletrónicos portáteis e armazenamento em rede.
Para os investigadores, como indica a Academia de Ciências Chinesa, além das baterias, os princípios demonstrados – design de material em nível atómico, multifuncionalidade e integração sinérgica de elétrodos – podem inspirar inovações em catálise, eletroquímica e ciência dos materiais. Futuros estudos deverão explorar maneiras de otimizar a síntese, reduzir custos e expandir a compatibilidade com outros sistemas de energia.
