Reforma de manganês para baterias de íon de lítio
22 de março de 2021 - armazenamento de energia de bateria de íon de lítio armazenamento de energia de íon de lítio
Cátodos sem cobalto poderiam combater problemas de abastecimento usando um dos metais mais baratos disponíveis.
Pesquisadores norte-americanos criaram uma bateria de íons de lítio que usa manganês como material catódico em vez do tradicional cobalto ou níquel. O trabalho poderia oferecer uma alternativa barata e abundante a estes recursos cada vez mais caros e limitados, proporcionando uma forma de satisfazer a procura rapidamente crescente de armazenamento de energia de iões de lítio.
A maioria dos cátodos de baterias de íons de lítio depende de cobalto ou níquel porque eles mantêm facilmente as estruturas em camadas e ordenadas. Mas em 2014, um grupo do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), liderado por Gerbrand Ceder, mostrou que baterias de iões de lítio com uma estrutura desordenada poderiam funcionar desde que fossem ricas em lítio, abrindo a possibilidade de experimentar novas, e possivelmente melhor, materiais.
Ceder e colegas da Universidade da Califórnia e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, nos EUA, desenvolveram agora uma bateria de iões de lítio com um cátodo desordenado à base de manganês e mostraram que poderia potencialmente armazenar mais energia do que o cobalto ou o níquel. “Nossa ideia era que, se pudéssemos fazer cátodos onde não nos importamos com camadas, poderíamos usar um espectro muito mais amplo de metais”, diz o autor principal Jinhyuk Lee, do MIT. ‘Decidimos optar pelo manganês porque é um dos metais mais baratos disponíveis.’
O manganês já é usado em cátodos tradicionais de baterias de íons de lítio em camadas, mas como um metal estabilizador com pouco envolvimento no armazenamento de elétrons. Tentativas recentes de fabricar cátodos puramente a partir de manganês desordenado e outros óxidos metálicos foram limitadas porque eles se tornam instáveis e perdem capacidade devido à atividade redox excessiva do oxigênio quando os íons de lítio se movem do cátodo para o ânodo à base de lítio durante o carregamento.
Para reduzir essa atividade e obter um cátodo de óxido de manganês de alta capacidade, a equipe de Ceder encontrou uma maneira de fazer com que o manganês trocasse dois elétrons, que é o que fazem os cátodos à base de níquel de alta capacidade, em vez de um. Isso envolveu a redução da valência do manganês para Mn2+, substituindo alguns ânions de oxigênio por ânions de flúor de menor valência, enquanto trocava alguns cátions de manganês por íons de nióbio e titânio de maior valência. Isto significava que o redox duplo de cátions de manganês poderia ocorrer de Mn2+ para Mn4+, permitindo que uma alta fração de íons de lítio se movesse do cátodo para o ânodo de lítio sem se tornar instável.
“Nossos resultados em escala de laboratório [teste de ciclagem de bateria] mostram uma densidade de energia bastante maior de nossos cátodos (~1000 Wh/kg) em comparação com a dos cátodos existentes (600–700 Wh/kg)”, diz Ceder. ‘Mas nossos dados não estão em escala comercial, portanto, mais testes e otimização de nossos materiais devem ser realizados.’
“Embora sejam necessárias mais melhorias na estabilidade do ciclo para aplicações práticas, a estratégia relatada é muito promissora e permite uma ampla exploração de vários cátions de alta valência”, comenta Gleb Yushin, que investiga armazenamento de energia no Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos EUA. «A necessidade de reduzir a tensão das células para valores muito baixos pode criar uma barreira para aplicações da tecnologia relatada em dispositivos eletrónicos, mas não deve ser um grande problema para aplicações automóveis.»
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