Resolver dois desafios das baterias com um catalisador à escala atómica
"Este trabalho é importante porque resolve dois problemas de longa data nas baterias de lítio-oxigénio utilizando um único material"
As baterias de lítio-oxigénio (Li-O₂) estão preparadas para revolucionar o armazenamento de energia graças à sua densidade energética teórica ultraelevada. No entanto, as barreiras de desempenho, tanto no cátodo como no ânodo, têm impedido a sua utilização prática. Um novo estudo propõe uma solução elegante: catalisadores de níquel (Ni) à escala atómica ancorados em óxido de grafeno reduzido dopado com azoto (Ni-N/rGO). Este material de dupla função melhora as reacções de redução/evolução do oxigénio no cátodo e estabiliza o lítio metálico no ânodo. As baterias resultantes apresentam uma capacidade impressionante, um ciclo de vida alargado e uma polarização reduzida. Ao unificar as melhorias do cátodo e do ânodo numa única plataforma de material, o trabalho estabelece um novo padrão para o design de baterias de Li-O₂ recarregáveis e de alto desempenho.
As baterias de lítio-oxigénio (Li-O₂) oferecem mais de 10 vezes a densidade energética das baterias convencionais de iões de lítio, tornando-as atraentes para veículos eléctricos e armazenamento na rede. No entanto, enfrentam sérias limitações: cinética de reação lenta no cátodo e metal de lítio instável no ânodo. Estes desafios provocam uma diminuição da capacidade, um elevado sobrepotencial e um perigoso crescimento de dendrite. Esforços anteriores melhoraram o cátodo ou o ânodo individualmente, mas uma abordagem unificada continua a ser difícil. Além disso, produtos de descarga comuns, como Li₂O₂ e Li₂CO₃, podem obstruir os poros e degradar o desempenho. Devido a esses desafios persistentes, novos materiais e estratégias integradas são urgentemente necessários para impulsionar as baterias de Li-O₂ em direção ao uso prático.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Harbin (Shenzhen) e da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz desenvolveram um material catalisador de dupla função que aborda as duas principais barreiras no desenvolvimento de baterias de Li-O₂. O estudo, publicado na eScience em junho de 2025, apresenta um catalisador de níquel atômico de baixa carga (Ni-N / rGO) que aumenta as reações do cátodo e protege o ânodo de lítio. A conceção inovadora não só melhora a eficiência energética e o desempenho em ciclos, como também oferece conhecimentos sobre o transporte de carga e o comportamento de deposição de lítio. Esta abordagem integrada abre novos caminhos para a construção de baterias Li-O₂ duráveis e de alta capacidade.
A equipe sintetizou locais de níquel em escala atômica - tanto átomos individuais quanto nanoclusters - dispersos em óxido de grafeno reduzido dopado com nitrogênio (rGO). O material, denominado Ni2-N/rGO, demonstrou catalisar as reacções de redução e evolução do oxigénio (ORR/OER) com uma eficiência excecional. Em comparação com os cátodos tradicionais, o novo catalisador atingiu mais de 16.000 mAh g-¹ em capacidade de descarga e ciclos estáveis ao longo de 200 ciclos. As simulações da teoria do funcional da densidade (DFT) confirmaram que os sítios atômicos adjacentes de Ni aumentam a adsorção de LiO₂ e reduzem as barreiras de energia para a decomposição de Li₂O₂, explicando o sobrepotencial reduzido (1,08 V). É importante ressaltar que o Ni2-N / rGO também serve como um revestimento protetor para ânodos de metal de lítio. Quando aplicado, reduz a formação de dendritos e a corrosão, prolongando a vida útil da bateria para 300 ciclos em condições de alta corrente. A microscopia e a espetroscopia de impedância confirmaram que a camada protetora mantém a integridade estrutural e a migração suave de Li⁺. As análises DEMS e XPS apoiaram ainda mais a capacidade do material de permitir reações reversíveis sem subprodutos parasitas. Ao resolver os principais problemas em ambos os eletrodos, este catalisador multifuncional demonstra como a engenharia atômica pode redefinir os limites de desempenho das baterias de próxima geração.
"Este trabalho é significativo porque resolve dois problemas de longa data nas baterias de lítio-oxigénio utilizando um único material", afirmou o Dr. Deping Li, autor sénior do estudo. "Ao projetar catalisadores de níquel atomicamente dispersos que simultaneamente aumentam a cinética da reação do cátodo e estabilizam o ânodo de lítio, mostramos um caminho claro para sistemas Li-O₂ práticos e de alto desempenho. A combinação de teoria, caraterização in situ e testes de ciclismo do mundo real torna esta uma estrutura atraente para pesquisas futuras.
O catalisador Ni-N / rGO de função dupla apresenta uma solução escalonável para os principais gargalos no desenvolvimento de baterias Li-O₂, tornando-o promissor para aplicações comerciais de armazenamento de energia. Sua capacidade de reduzir a polarização, suprimir dendritos e garantir ciclos de alta taxa pode acelerar a implantação de sistemas Li-O₂ em veículos elétricos, eletrônicos portáteis e armazenamento em rede. Além das baterias, os princípios demonstrados - design de material de nível atômico, multifuncionalidade e integração sinérgica de eletrodos - podem inspirar inovações em catálise, eletroquímica e ciência dos materiais. A investigação futura explorará formas de otimizar a síntese, reduzir os custos e expandir a compatibilidade com outros sistemas energéticos.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Outras notícias do departamento ciência
