Em artigo publicado na revista de alto impacto Advanced Energy Materials, pesquisadores do CINE e colaboradores apresentam um novo método, mais rápido e preciso do que os utilizados até o momento, para estudar baterias de lítio – oxigênio (Li-O2). O método traz nova luz sobre as reações químicas que ocorrem nesses dispositivos promissores.

Baterias de lítio-oxigênio podem ser a chave para armazenar energia em grande escala (por exemplo, em parques eólicos ou solares), por apresentarem a melhor relação entre seu peso e a quantidade de energia que conseguem armazenar. Contudo, essa tecnologia ainda não atinge a durabilidade necessária à comercialização.

Um dos motivos é a formação de compostos indesejados que pode ocorrer durante a descarga da bateria, levando à degradação de seus componentes e a falhas no funcionamento. Para entender este ponto, é necessário lembrar que a capacidade destes dispositivos de armazenar e liberar energia se baseia na reação do lítio proveniente do ânodo com o oxigênio que se difunde pelo cátodo. Essas reações formam compostos como o peróxido de lítio (Li2O2), os quais se decompõem quando a bateria recarrega. E tudo volta a começar na descarga seguinte.

Como a fonte de oxigênio nesses dispositivos costuma ser o próprio ar (abundante, gratuito e fácil de capturar), dióxido de carbono e água que acabam entrando na bateria podem intervir nas reações e gerar compostos deletérios. Além disso, o uso de catalisadores na bateria também pode impactar essas reações, introduzindo novos elementos.

Nesse contexto, um grupo de pesquisadores do CINE, ligados ao programa Armazenamento Avançado de Energia, vem dedicando esforços a desenvolver os métodos e equipamentos mais adequados para entender a formação desses compostos químicos (os chamados “produtos de descarga”) nos dispositivos.

Neste novo trabalho, os pesquisadores se basearam na técnica de espectroscopia do infravermelho, que explora as interações entre a radiação infravermelha e a matéria para identificar substâncias químicas. Para poder alcançar a escala nanométrica, eles utilizaram radiação proveniente de luz síncrotron em experimentos realizados no LNLS/CNPEM.

Os autores combinaram dois tipos de experimentos complementares. Para estudar as mudanças químicas na escala micrométrica, realizaram as medidas enquanto a bateria estava descarregando (in operando). Já na escala nanométrica, experimentos desse tipo não foram possíveis, e a equipe optou por análises in situ (ou seja, usando a própria bateria como amostra, porém sem que esteja em operação). Essa combinação permitiu obter resultados mais sólidos, bem como comprovar a viabilidade do uso de espectroscopia do infravermelho na escala nanométrica no estudo de baterias Li-O2.

“A principal contribuição deste trabalho foi criar uma forma de análise das baterias Li-O2 que permite uma caracterização química local de poucos nanômetros por espectroscopia do infravermelho que nunca havia sido feita antes”, resume o professor Gustavo Doubek (UNICAMP), pesquisador principal no CINE. “As técnicas usuais de caracterização de infravermelho apenas nos dão uma informação média sobre uma área maior e assim não conseguimos saber exatamente quais materiais são os responsáveis pelas alterações observadas”, explica Doubek, que coordenou a pesquisa.

Entre outros resultados, o trabalho mostrou que os produtos de descarga se distribuem de forma homogênea nas escalas nano e micro, e que a presença de dióxido de carbono e água gera outros compostos além dos desejados para o funcionamento da bateria. Além disso, a técnica in situ na nanoescala identificou a degradação do eletrólito da bateria nos primeiros minutos de operação, fato que, com outras técnicas, só era mensurável após muitas horas de experimentos.

Referência do artigo científico: In Situ Infrared Micro and Nanospectroscopy for Discharge Chemical Composition Investigation of Non-Aqueous Lithium–Air Cells. Thayane C. M. Nepel, Chayene G. Anchieta, Leticia F. Cremasco,Bianca P. Sousa, André N. Miranda, Lorrane C. C. B. Oliveira, Bruno A. B. Francisco,Julia P. de O. Júlio, Francisco C. B. Maia, Raul O. Freitas, Cristiane B. Rodella, Rubens M. Filho, Gustavo Doubek. Adv. Energy Mater. 2021, 2101884. Adv. Energy Mater. 2021, 2101884. https://doi.org/10.1002/aenm.202101884

Autores do artigo que são membros do CINE: Thayane C. M. Nepel (pós-doc na UNICAMP), Chayene G. Anchieta (pós-doc na UNICAMP), Leticia F. Cremasco,(doutoranda na UNICAMP), Bianca P. Sousa (doutoranda na UNICAMP), André N. Miranda (doutoranda na UNICAMP), Lorrane C. C. B. Oliveira (doutoranda na UNICAMP), Bruno A. B. Francisco (mestrando na UNICAMP), Julia P. de O. Júlio (mestranda na UNICAMP), Rubens M. Filho (professor da UNICAMP e coordenador de programa de pesquisa no CINE) e Gustavo Doubek (professor da UNICAMP e pesquisador principal no CINE).