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Ingrediente comum em pastas de dente, o fluoreto de sódio é composto de flúor. É adicionado para proteger os dentes contra a cárie.
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Mas os compostos que contêm flúor têm outros usos práticos que podem surpreendê-lo. Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram um eletrólito de flúor que pode proteger uma bateria de próxima geração contra o declínio de seu desempenho. A pesquisa foi publicada na revista Nature Communications.
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“Uma nova geração empolgante de tipos de bateria para veículos elétricos além do íon de lítio está no horizonte”, disse Zhengcheng (John) Zhang, líder do grupo na divisão de Ciências Químicas e Engenharia de Argonne.
Nova tecnologia para as baterias
- As químicas das baterias de íon não-lítio oferecem o dobro, ou mais de energia armazenada em determinado volume, ou peso em comparação com o íon-lítio;
- Eles poderiam alimentar carros por distâncias muito maiores e até mesmo caminhões e aeronaves de longa distância um dia;
- A expectativa é que o uso generalizado dessas baterias ajude a resolver o problema das mudanças climáticas;
- O principal problema é que sua alta densidade de energia diminui rapidamente com cargas e descargas repetidas.
Um dos principais concorrentes possui um ânodo (eletrodo negativo) feito de lítio metálico no lugar do grafite normalmente usado em baterias de íon-lítio. É, portanto, chamada de bateria de “metal de lítio”.
O cátodo (eletrodo positivo) é um óxido metálico que contém níquel, manganês e cobalto (NMC). Embora possa fornecer mais que o dobro da densidade de energia possível com uma bateria de íons de lítio, esse excelente desempenho desaparece rapidamente em menos de cem ciclos de carga e descarga.
A solução da equipe envolveu a troca do eletrólito, líquido pelo qual os íons de lítio se movem entre o cátodo e o ânodo para implementar carga e descarga. Nas baterias de metal de lítio, o eletrólito é um líquido que consiste em sal contendo lítio dissolvido em solvente.
A origem do problema do ciclo de vida curto é que o eletrólito não forma camada protetora adequada na superfície do ânodo durante os primeiros ciclos. Essa camada, também chamada de interfase de eletrólito sólido (SEI), atua como guardião, permitindo que os íons de lítio passem livremente para dentro e para fora do ânodo para carregar e descarregar a bateria, respectivamente.
A equipe descobriu novo solvente de flúor que mantém uma camada protetora robusta por centenas de ciclos. Ele acopla um componente fluorado carregado positivamente (cátion) com um componente fluorado diferente carregado negativamente (ânion). Essa combinação é o que os cientistas chamam de líquido iônico – líquido que consiste em íons positivos e negativos.
“A principal diferença em nosso novo eletrólito é a substituição de átomos de hidrogênio por flúor na estrutura em forma de anel da parte catiônica do líquido iônico”, disse Zhang. “Isso fez toda a diferença na manutenção do alto desempenho por centenas de ciclos em uma célula de metal de lítio de teste.”
Para entender melhor o mecanismo por trás dessa diferença em escala atômica, a equipe utilizou os recursos de computação de alto desempenho do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), instalação do usuário do DOE Office of Science.
Como explicou Zhang, as simulações no supercomputador Theta do ALCF revelaram que os cátions de flúor aderem e se acumulam nas superfícies do ânodo e do cátodo antes de qualquer ciclo de carga e descarga. Então, durante os estágios iniciais da ciclagem, forma-se uma camada SEI resiliente superior ao que é possível com os eletrólitos anteriores.
A microscopia eletrônica de alta resolução no Argonne and Pacific Northwest National Laboratory revelou que a camada SEI altamente protetora no ânodo e no cátodo levou ao ciclo estável.
A equipe conseguiu ajustar a proporção de solvente de flúor para sal de lítio, para criar camada com propriedades ideais, incluindo espessura SEI que não é muito grossa ou fina.
Por causa dessa camada, os íons de lítio podem fluir eficientemente para dentro e para fora dos eletrodos durante a carga e descarga por centenas de ciclos.
O novo eletrólito da equipe também oferece muitas outras vantagens. É de baixo custo porque pode ser feito com pureza extremamente alta e rendimento em etapa simples em vez de várias etapas.
É ecologicamente correto porque usa muito menos solvente, que é volátil e pode liberar contaminantes no meio ambiente. E é mais seguro porque não é inflamável.
“Baterias de metal de lítio com nosso eletrólito catiônico fluorado podem impulsionar consideravelmente a indústria de veículos elétricos”, disse Zhang. “E a utilidade deste eletrólito, sem dúvida, se estende a outros tipos de sistemas avançados de bateria além do íon de lítio”.
Com informações de Tech Explore
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