Novos sucessos de investigação no caminho para a super bateria

Desde 2012, Stefan Freunberger do Instituto de Tecnologias de Materiais Químicos da Graz University of Technology tem estado a trabalhar no desenvolvimento de uma nova geração de baterias mais potentes, mais duradouras e mais baratas de produzir do que os modelos actuais. Freunberger vê um grande potencial nas baterias de lítio-oxigénio. No decurso da sua investigação, o cientista descobriu paralelos entre o envelhecimento celular em organismos vivos e em baterias em 2017. Em ambos os casos, o oxigénio mono-t altamente reactivo é responsável pelo processo de envelhecimento. Isto ocorre durante o processo de descarga e carregamento das baterias de lítio-oxigénio e tem sido um elemento central da investigação da Freunberger nos últimos anos. Nas revistas Nature Communications e Applied Chemistry, o investigador Graz mostra pela primeira vez formas de minimizar os efeitos negativos do oxigénio singlet.

Mediadores redox estáveis como chave para a eficiência energética

In Nature Communications Em colaboração com investigadores da Coreia e dos EUA, a Freunberger descreve a influência do oxigénio singlet nos chamados mediadores redox, que podem ser reversivelmente reduzidos e oxidados. Estes mediadores são essenciais para o fluxo de electrões entre o circuito externo e o material de armazenamento de carga em baterias de oxigénio e determinam significativamente o seu desempenho. O princípio dos mediadores é também copiado da natureza, onde desempenham várias funções nas células vivas, tais como a condução de estímulos e a produção de energia. “Até agora, presume-se que os mediadores redox são desactivados por superóxidos e peróxidos. No entanto, a nossa investigação mostra que o oxigénio solteiro é responsável por isto”, disse Freunberger.

Usando os chamados cálculos da teoria funcional da densidade, os cientistas foram capazes de explicar porque é que algumas classes de mediadores são mais resistentes ao oxigénio solteiro do que outras. Também identificaram as rotas mais prováveis de ataque com oxigénio de uma só tonelada. Este conhecimento ajuda no desenvolvimento de novos mediadores redox estáveis. “Quanto mais estáveis forem os mediadores, mais eficientes, reversíveis e duráveis serão as baterias”, explica Freunberger.

DABCOnium protege eficazmente contra o oxigénio singlet

Além de desactivar os mediadores redox, o oxigénio singlet é também responsável por reacções químicas parasitárias que reduzem a duração da bateria e o desempenho da carga. Freunberger procurava portanto um extintor ideal que convertesse oxigénio mono-t em oxigénio triplo inofensivo, tal como ocorre no ar, e foi inspirado pela biologia: “Nas células vivas, uma enzima chamada superóxido dismutase impede a formação de oxigénio mono-t. Usei DABCOnium, um sal do composto orgânico de azoto DABCO, nas minhas experiências”. Este é um aditivo electrolítico muito mais estável à oxidação do que os extintores conhecidos anteriormente e é compatível com o lítio metálico do eléctrodo negativo. Pela primeira vez, a Freunberger foi capaz de conceber a carga de células de oxigénio de lítio para estar largamente livre de reacções laterais, sem reacções parasitárias.

No entanto, o oxigénio Singluett não é apenas problemático nas baterias de oxigénio, mas também nos últimos desenvolvimentos das baterias de iões de lítio, como a Freunberger foi capaz de demonstrar no ano passado. Por conseguinte, os extintores também são relevantes para eles. A Freunberger publicou detalhes sobre este extintor de oxigénio singlet na revista Applied Chemistry publicada.

A combinação de mediador e extintor forma uma condição ideal

Na etapa seguinte, Freunberger quer agora combinar os resultados e desenvolver uma nova classe de mediadores. Por um lado, deve ser particularmente resistente ao ataque por oxigénio isolado, mas deve também ser capaz de o extinguir por si só, ou seja, combatê-lo eficazmente. Isto prolongaria dramaticamente a vida útil das baterias de lítio-oxigénio e maximizaria a eficiência energética.

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