A tecnologia das baterias de lítio-oxigênio (Li-O2) pode trazer um aumento significativo na densidade energética (quantidade de energia armazenada por peso da bateria) com relação aos dispositivos que hoje dominam o mercado, como as baterias de íons de lítio. Entretanto, várias limitações dessa tecnologia ainda precisam ser superadas para viabilizar seu uso comercial. Para isso, é necessário entender melhor as reações que ocorrem durante os processos de carga e descarga e seu impacto nos componentes da bateria (os eletrodos e o eletrólito).

Uma importante contribuição ao desenvolvimento dessa tecnologia foi feita recentemente por pesquisadores e estudantes ligados ao Programa de Armazenamento Avançado de Energia do CINE, em colaboração com uma pesquisadora do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS-CNPEM). A equipe realizou o primeiro estudo de baterias de lítio – oxigênio com mediadores redox com a técnica de difração de raios X (DRX) em condições reais de operação. Dessa forma, foi possível registrar, em tempo real, as alterações que ocorrem na estrutura do material dos eletrodos durante a carga e a descarga da bateria e assim compreender melhor o funcionamento dos mediadores.

Os pesquisadores escolheram para o estudo um dos tipos mais recentemente desenvolvidos de baterias de lítio-oxigênio: aquelas que contam com catalisadores dissolvidos no eletrólito – os chamados “mediadores redox”. Esses compostos vêm sendo usados porque promovem uma série de reações que facilitam a carga da bateria de lítio-oxigênio. Sem eles, grandes quantidades de eletricidade são necessárias para que a carga ocorra, o que gera reações não desejadas que acabam degradando o eletrólito e o eletrodo. Dessa maneira, os mediadores redox têm papel importante na vida útil da bateria – ou, usando o termo técnico, na sua ciclabilidade (medida que reflete a quantidade de vezes que uma bateria pode ser recarregada até parar de funcionar).

Para poder realizar os experimentos, a equipe precisou, inicialmente, desenvolver a instrumentação, já que não existia um dispositivo que permitisse caracterizar adequadamente os materiais de uma bateria de lítio-oxigênio. O dispositivo criado foi instalado temporariamente em uma estação experimental de difração por raios X do LNLS, onde a técnica rende resultados mais precisos e mais rápidos.

“Neste estudo revelamos pela primeira vez a dinâmica de formação e decomposição de produtos com o mediador redox LiBr, mostrando a importância crucial que a migração do íon Br detém sobre a ciclabilidade do sistema”, diz o professor Gustavo Doubek (UNICAMP), pesquisador do CINE e líder da pesquisa. “Os resultados são fruto de mais de um ano de trabalho, no qual conseguimos projetar e construir uma célula robusta (alvo de uma patente já submetida) para medir a descarga e carga das baterias de Li-02 com medidas simultâneas de difração de raios X”, completa.

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Referência do artigo científico: Operando Synchrotron XRD of Bromide Mediated Li–O2 Battery. Leticia F. Cremasco, Chayene G. Anchieta, Thayane C. M. Nepel, André N. Miranda, Bianca P. Sousa, Cristiane B. Rodella, Rubens M. Filho, and Gustavo Doubek. ACS Applied Materials & Interfaces 2021 13 (11), 13123-13131. DOI: 10.1021/acsami.0c21791.

Autores do artigo que são membros do CINE: Leticia F. Cremasco (doutoranda, UNICAMP), Chayene G. Anchieta (pós-doc, UNICAMP), Thayane C. M. Nepel (pós-doc, UNICAMP), André N. Miranda (doutorando, UNICAMP), Bianca P. Sousa (doutoranda, UNICAMP), Rubens M. Filho (professor, UNICAMP), Prof Gustavo Doubek (professor, UNICAMP).

Matéria sobre o dispositivo para estudo de eletrodos de baterias: http://cine.org.br/patente-equipe-do-cine-desenvolve-dispositivo-para-estudar-baterias-de-metal-ar/