A bateria de lítio-enxofre tem vantagens sobre as baterias de íon-lítio, mas não alcançou o domínio do mercado devido à sua curta vida útil. Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne, do Departamento de Energia, descobriram recentemente um mecanismo de reação que pode resolver este problema, prometendo uma tecnologia de bateria mais sustentável.
Os pesquisadores revelam uma maneira inesperada de melhorar as baterias de lítio-enxofre, visualizando as interações em nível atômico.
A jornada desde a descoberta em laboratório até a aplicação no mundo real pode ser extensa e repleta de desafios. Tomemos, por exemplo, uma bateria de lítio-enxofre. Embora tenham benefícios significativos em relação às baterias de iões de lítio existentes utilizadas em veículos, não tiveram um impacto significativo no mercado, apesar de anos de desenvolvimento rigoroso.
Esta situação pode mudar no futuro graças aos esforços dos cientistas do Departamento de Energia dos EUA (Ministério da Energia) Laboratório Nacional de Argonne. Na última década, eles fizeram várias descobertas importantes relacionadas às baterias de lítio-enxofre. A sua última descoberta, publicada na revista Nature, revela um mecanismo de reação até então desconhecido que aborda uma grande desvantagem: a vida útil muito curta das baterias.
disse Gui-Liang Xu, químico do Departamento de Ciência Química e Engenharia de Argonne “Os esforços da nossa equipe podem aproximar os Estados Unidos de um cenário de transporte mais verde e sustentável.
As baterias de lítio-enxofre oferecem três vantagens importantes em relação às atuais baterias de íon-lítio. Primeiro, podem armazenar duas a três vezes mais energia num determinado volume, resultando numa maior autonomia do veículo. Em segundo lugar, o seu baixo custo, facilitado pela abundância e acessibilidade do enxofre, torna-o economicamente viável. Finalmente, estas baterias não dependem de recursos críticos como o cobalto e o níquel, que poderão enfrentar escassez no futuro.
Diferentes caminhos de reação do polissulfeto de lítio (Li₂S₆) ao sulfeto de lítio (Li₂S) em baterias de lítio-enxofre com (esquerda) e sem catalisador (direita) no cátodo de enxofre. Crédito: Laboratório Nacional Argonne
Apesar desses benefícios, passar do sucesso laboratorial para a viabilidade comercial tem se mostrado difícil. As células de laboratório têm mostrado resultados promissores, mas quando ampliadas para o tamanho comercial, o seu desempenho diminui rapidamente com cargas e descargas repetidas.
A razão subjacente para esta diminuição no desempenho reside na dissolução do enxofre do cátodo durante a descarga, levando à formação de polissulfeto de lítio solúvel (Li2é6). Esses compostos fluem para o eletrodo negativo (ânodo) do metal de lítio durante o carregamento, agravando o problema. Assim, a perda de enxofre do cátodo e as alterações na composição do ânodo prejudicam significativamente o desempenho da bateria durante o ciclo.
nos últimos dias Estudo prévioOs cientistas da Argonne desenvolveram um catalisador que, quando adicionado em pequena quantidade a um cátodo de enxofre, elimina essencialmente o problema da perda de enxofre. Embora este catalisador tenha mostrado resultados promissores tanto em células comerciais como em células de laboratório, o seu mecanismo de acção a nível atómico permaneceu até agora um mistério.
A pesquisa mais recente da equipe esclareceu esse mecanismo. Na ausência de um catalisador, o polissulfeto de lítio se forma na superfície do cátodo e sofre uma série de reações, convertendo finalmente o cátodo em sulfeto de lítio (Li2e).
““Mas ter uma pequena quantidade de catalisador no cátodo faz uma enorme diferença”, disse Xu“Isto é seguido por um caminho de reação completamente diferente, desprovido de etapas de reação intermediárias.
A chave é a modelagem densa Escala nanométrica Bolhas de polissulfeto de lítio na superfície do cátodo, que não aparecem sem o catalisador. Os polissulfetos de lítio difundem-se rapidamente por toda a estrutura do cátodo durante a descarga e se transformam em sulfeto de lítio, que consiste em cristais de tamanho nanométrico. Este processo evita a perda de enxofre e reduz o desempenho em células de tamanho comercial.
Para abrir esta caixa preta sobre o mecanismo de reação, os cientistas usaram técnicas avançadas de caracterização. Análises da estrutura do catalisador usando feixes de raios X síncrotron intensos em linhas de luz 20-BM Para fonte avançada de fótons, um Ministério da Energia Foi revelado que a instalação do usuário do science desk desempenha um papel crítico no caminho da reação. A estrutura do catalisador afeta a forma e a composição do produto final na descarga, bem como dos produtos intermediários. Com o catalisador, o sulfeto de lítio nanocristalino é formado na descarga total. Sem o catalisador, formam-se estruturas microscópicas em forma de bastonete.
Outra biotecnologia, desenvolvida na Universidade de Xiamen, permitiu à equipe visualizar a interface entre o eletrodo e o eletrólito em nanoescala enquanto a célula de teste estava operando. Esta técnica recém-inventada ajudou a vincular mudanças em nanoescala ao comportamento de uma célula em funcionamento.
“Com base em nossa emocionante descoberta, conduziremos mais pesquisas para projetar melhores cátodos de enxofre”, observou Xu. “Também seria útil explorar se este mecanismo se aplica a outras baterias de próxima geração, como as baterias de sódio e enxofre.”
Com esta última conquista da equipe, o futuro das baterias de lítio-enxofre parece ainda mais brilhante, proporcionando uma solução mais sustentável e ecologicamente correta para a indústria de transportes.
Referência: “Visualizando o comportamento de interação coletiva facial das baterias Li-S” por Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng – Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Ding, Ling Huang, Yu Qiao, Gui Liang Xu, Jianfeng Chen, Khalil Amin, Shi Gang Sun e Honggang Liao, 6 de setembro de 2023, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06326-8
Além de Xu, os autores incluem Xuan Zhou, Ji Shi, Sanghe Liu, Jin Li, Fei Bai, Yuhu Chen, Junxian Ding, Qizeng Cheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Enhui Huang, Zhengjun Sun, Yuze Liu, Yu Ding e Ling. Huang, Yu Qiao, Jianfeng Chen, Khalil Amin, Shigang Sun e Honggang Liao.
Outras instituições participantes incluem a Universidade de Xiamen, a Universidade de Tecnologia Química de Pequim e a Universidade de Nanjing. A pesquisa de Argonne foi apoiada pelo Escritório de Tecnologias de Veículos do Departamento de Energia no Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável.
Esta pesquisa utilizou recursos da Advanced Photon Source, uma instalação de usuário do DOE Office of Science operada para o DOE Office of Science pelo Argonne National Laboratory sob o contrato nº DE-AC02-06CH11357.
