Lã metálica abre caminho para baterias do futuro
[Imagem: Batene]
Lã metálica
Trocar as folhas metálicas nos eletrodos por espumas metálicas pode dar um salto de eficiência nas baterias.
Pesquisadores do Instituto Max Planck, na Alemanha, descobriram que usar como material de contato nos eletrodos das baterias uma espécie de lã metálica acelera significativamente o transporte dos íons, o que possibilita a construção de eletrodos significativamente mais espessos do que o padrão atual.
Isso significa que aproximadamente metade do metal de contato – a lã tem menos material do que uma folha sólida – e outros materiais que não contribuem para o armazenamento de energia podem ser economizados, aumentando significativamente a densidade energética das baterias.
A maior vantagem dos contatos de lã metálica é que os íons de lítio são transportados muito rapidamente através de uma dupla camada elétrica na superfície do novo contato. Nos protótipos construídos pela equipe, a densidade de energia dos eletrodos de lã metálica aumentou em até 85% em comparação com os eletrodos de folha convencionais.
[Imagem: Batene]
Compromisso
“A base para isso é um mecanismo até então desconhecido que descobrimos no transporte de íons em eletrodos,” conta Joachim Spatz, membro da equipe.
Os eletrodos de bateria consistem em um material de contato e um material ativo. O material de contato – hoje, uma folha de cobre para o terminal negativo das baterias de íons de lítio e uma folha de alumínio para o terminal positivo – serve apenas para transportar a corrente de e para o eletrodo. O material ativo é o material de armazenamento, que absorve e libera a carga durante a carga e a descarga.
Hoje, os fabricantes de baterias usam grafite no terminal negativo e vários compostos inorgânicos contendo lítio no terminal positivo. O material ativo é poroso, de modo que o eletrólito líquido possa penetrar nele.
Embora os materiais ativos comumente usados hoje absorvam bastante carga, eles conduzem íons muito mal – é o velho dilema entre condução eletrônica e condução iônica. Os íons precisam migrar através do eletrólito líquido para o material ativo. Mas, como eles estão embalados em uma camada de moléculas de eletrólito e são relativamente volumosos, eles se movem lentamente através do eletrólito – eles também não avançam bem no próprio material ativo.
Isso coloca os fabricantes de baterias diante de um dilema: Ou eles fazem os eletrodos espessos, para que sua densidade de energia seja a mais alta possível, mas então as baterias não podem ser carregadas e descarregadas rapidamente, ou então eles fazem os eletrodos extremamente finos e aceitam que a densidade de energia diminuirá para obter carga e descarga rápidas.
Lã metálica resolve e custa menos
Ante esse compromisso entre as duas propriedades, os fabricantes de baterias hoje optam por eletrodos com cerca de um décimo de milímetro de espessura. Usando a nova lã metálica, esses eletrodos poderão ser 10 vezes mais espessos, e ainda vão carregar e descarregar rapidamente.
O que acontece é que os íons de lítio se desprendem de sua camada molecular sobre uma superfície de cobre, depositam-se ali e formam uma dupla camada elétrica, com elétrons que se acumulam sob a superfície metálica, conhecida como camada de Helmholtz.
“Usando uma configuração de medição especialmente desenvolvida e cálculos teóricos, demonstramos que os íons de lítio se movem através da camada de Helmholtz cerca de 56 vezes mais rápido do que através do eletrólito,” disse Spatz. “As superfícies metálicas são, portanto, uma espécie de autoestrada para os íons metálicos.”
Ainda mais, os eletrodos de lã metálica não são apenas significativamente mais potentes do que os eletrodos de folha metálica, como também são mais fáceis e mais baratos de fabricar porque, na produção das baterias atuais, os fabricantes precisam aplicar finas camadas de material ativo às folhas de contato em um processo complexo, às vezes utilizando solventes tóxicos. Em contrapartida, o material ativo pode ser introduzido nas lãs metálicas na forma de pó. “Com o enchimento a seco, podemos provavelmente economizar de 30% a 40% dos custos de produção, e as instalações de produção precisam de um terço a menos de espaço,” concluiu Spatz.