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Bateria de plástico – 10 vezes mais rápido do que uma bateria de íons de lítio

É difícil imaginar nossa vida diária sem baterias de íon de lítio. Eles dominam o mercado de baterias de pequeno formato para dispositivos eletrônicos portáteis e também são comumente usados ​​em veículos elétricos. Ao mesmo tempo, as baterias de íon de lítio apresentam vários problemas sérios, incluindo: risco potencial de incêndio e perda de desempenho em temperaturas frias, bem como um impacto ambiental considerável do descarte de baterias gastas.

De acordo com o líder da equipe de pesquisadores, professor do Departamento de Eletroquímica da Universidade de São Petersburgo, Oleg Levin, os químicos têm explorado polímeros contendo nitroxil redox-ativos como materiais para armazenamento de energia eletroquímica. Esses polímeros são caracterizados por uma alta densidade de energia e alta velocidade de carga e descarga devido à rápida cinética redox. Um desafio para a implementação de tal tecnologia é a condutividade elétrica insuficiente. Isso impede a coleta de carga mesmo com aditivos altamente condutores, como o carbono.

Em busca de soluções para superar esse problema, os pesquisadores da Universidade de São Petersburgo sintetizaram um polímero à base de complexo de níquel-salen (NiSalen). As moléculas deste metalopolímero atuam como um fio molecular ao qual estão ligados os pingentes de nitroxil de uso intensivo de energia. A arquitetura molecular do material permite que o desempenho de alta capacitância seja alcançado em uma ampla faixa de temperatura.

“Criamos o conceito desse material em 2016. Naquela época, começamos a desenvolver um projeto fundamental ‘Materiais para eletrodos para baterias de íon-lítio baseadas em polímeros organometálicos’. Foi apoiado por uma bolsa da Russian Science Foundation. Ao estudar o mecanismo de transporte de carga nesta classe de compostos, descobrimos que existem duas direções principais de desenvolvimento. Em primeiro lugar, esses compostos podem ser usados ​​como uma camada protetora para cobrir o principal cabo condutor da bateria, que de outra forma seria feito de materiais de bateria de íon de lítio tradicionais. E em segundo lugar, eles podem ser usados ​​como um componente ativo de materiais de armazenamento de energia eletroquímica “, explica Oleg Levin.

O polímero levou mais de três anos para ser desenvolvido. No primeiro ano, os cientistas testaram o conceito do novo material: eles combinaram componentes individuais para simular o backbone eletricamente condutor e pingentes contendo nitroxil redox-ativo. Era essencial garantir que todas as partes da estrutura funcionassem em conjunto e se reforçassem mutuamente. A próxima etapa foi a síntese química do composto. Foi a parte mais desafiadora do projeto. Isso ocorre porque alguns dos componentes são extremamente sensíveis e até mesmo o menor erro de um cientista pode causar a degradação das amostras.

Dos vários espécimes de polímero obtidos, apenas um foi considerado suficientemente estável e eficiente. A cadeia principal do novo composto é formada por complexos de níquel com ligantes salen. Um radical livre estável, capaz de rápida oxidação e redução (carga e descarga), foi ligado à cadeia principal por meio de ligações covalentes.

“Uma bateria fabricada com nosso polímero carrega em segundos – cerca de dez vezes mais rápido do que uma bateria de íon de lítio tradicional. Isso já foi demonstrado por uma série de experimentos. No entanto, neste estágio, ainda está atrasada em termos de capacidade —30 a 40% mais baixo do que nas baterias de íon de lítio. Atualmente, estamos trabalhando para melhorar este indicador, mantendo a taxa de carga e descarga “, diz Oleg Levin.

O cátodo para a nova bateria foi fabricado – um eletrodo positivo para uso em fontes de corrente química. Agora precisamos do eletrodo negativo – o ânodo. Na verdade, ele não precisa ser criado do zero – pode ser selecionado a partir dos existentes. Emparelhados, eles formarão um sistema que, em algumas áreas, pode em breve substituir as baterias de íon-lítio .

“A nova bateria é capaz de operar em baixas temperaturas e será uma excelente opção onde o carregamento rápido é crucial. É seguro para uso – não há nada que possa representar um risco de combustão, ao contrário das baterias à base de cobalto que são amplamente difundidas hoje. Ele também contém significativamente menos metais que podem causar danos ambientais. O níquel está presente em nosso polímero em uma pequena quantidade, mas há muito menos do que nas baterias de íon-lítio “, diz Oleg Levin.

 

Mais informações: Anatoliy A. Vereshchagin et al, The Fast and the Capacious: A [Ni (Salen)] – TEMPO Redox-Conductor Polymer for Organic Batteries & Supercaps (2020). DOI: 10.1002 / batt.202000220

Fornecido pela St. Petersburg State University

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