Pesquisadores do CINE e colaboradores deram um passo importante no desenvolvimento de catalisadores para otimizar o desempenho de baterias de lítio-oxigênio (Li-O₂). Esses dispositivos, que ainda estão em estágio de desenvolvimento, destacam-se pela sua capacidade de armazenar muito mais energia do que as baterias de íons de lítio, mas ainda enfrentam desafios para melhorar a sua ciclabilidade (a quantidade de recargas que a bateria permite antes do fim da sua vida útil).

“Este trabalho contribui à 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 Gustavo Doubek (UNICAMP), pesquisador principal no programa Armazenamento Avançado de Energia do CINE.

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 capazes de promover a decomposição do peróxido de lítio, que 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 ◦C, 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 bateriais. 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 (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.

O estudo reforçou as vantagens dos espinélios como catalisadores para cátodos de baterias de lítio-oxigênio, bem como a importância de se controlar os parâmetros no processo de obtenção desses materiais.

Referência do artigo científico: Conversion of Co-Mn-Al Hydrotalcites in Highly Active Spinel-type Catalysts for Peroxide Decomposition. André Navarro de Miranda, William Gonçalves Nunes, Leandro José Maschio, Luis Gustavo Ferroni Pereira, Sayuri Okamoto, Ricardo Vieira e Gustavo Doubek. Catalysis Today (in press). https://doi.org/10.1016/j.cattod.2021.08.013

Autores do artigo que são membros do CINE: André Navarro de Miranda (doutorando na UNICAMP), Willian Gonçalves Nunes (doutorando na UNICAMP) e Gustavo Doubek (professor da UNICAMP e pesquisador principal no CINE).