Baterias de iões de sódio: novo mecanismo de armazenamento para materiais catódicos
Nova abordagem oferece uma nova perspetiva para a conceção de baterias de alta eficiência e de carregamento rápido
As baterias de iões de lítio e de iões de sódio funcionam através de um processo denominado intercalação, em que os iões são armazenados e trocados entre dois eléctrodos quimicamente diferentes. Em contraste, a co-intercalação, um processo em que tanto os iões como as moléculas de solvente são armazenados simultaneamente, tem sido tradicionalmente considerada indesejável devido à sua tendência para causar uma rápida falha da bateria. Contra esta visão tradicional, uma equipa de investigação internacional liderada por Philipp Adelhelm demonstrou agora que a co-intercalação pode ser um processo reversível e rápido para materiais catódicos em baterias de iões de Na. A abordagem de armazenamento conjunto de iões e solventes em materiais catódicos proporciona uma nova forma de conceber baterias com elevada eficiência e capacidade de carregamento rápido. Os resultados foram publicados na revista Nature Materials.
O desempenho das baterias depende de muitos factores. Depende, em particular, da forma como os iões são armazenados nos materiais dos eléctrodos e da possibilidade de serem novamente libertados. Isto acontece porque os portadores de carga (iões) são relativamente grandes e podem causar uma alteração indesejável no volume quando migram para o elétrodo. Este efeito, conhecido como "respiração", prejudica a vida útil da pilha. A alteração de volume é particularmente acentuada quando os iões de sódio migram juntamente com moléculas do eletrólito orgânico. Esta chamada co-intercalação tem sido geralmente considerada prejudicial para a vida da bateria. No entanto, uma equipa de investigação internacional liderada por Philipp Adelhelm investigou agora materiais catódicos que permitem a co-intercalação de iões e moléculas de solvente, permitindo processos de carga e descarga mais rápidos.
Co-intercalação em ânodos
Em estudos anteriores, a equipa investigou a co-intercalação em ânodos de grafite, demonstrando que o sódio podia migrar rápida e reversivelmente para dentro e para fora do eletrólito ao longo de muitos ciclos quando combinado com moléculas de glime. No entanto, a comprovação do mesmo conceito em materiais catódicos continuava a ser difícil. Para fazer face a este desafio, a equipa explorou uma série de sulfuretos de metais de transição em camadas e identificou processos de co-intercalação de solventes em materiais catódicos. O processo de co-intercalação pode ser utilizado para desenvolver baterias muito eficientes e de carregamento mais rápido. Foi por isso que quisemos investigar este tópico com mais pormenor", afirma o Prof. Philipp Adelhelm.
Co-intercalação em cátodos: um processo diferente
O estudo incorpora investigações pormenorizadas dos últimos três anos: O Dr. Yanan Sun efectuou medições de alterações de volume nos materiais do cátodo, realizou análises estruturais com radiação sincrotrão no PETRA III no DESY e investigou as propriedades electroquímicas para uma variedade de combinações de eléctrodos e solventes. Com o apoio da teoria, em colaboração com o Dr. Gustav Åvall, foi possível identificar parâmetros importantes que ajudam a prever as reacções de co-intercalação no futuro.
Vantagens: Cinética super-rápida
O processo de co-intercalação nos materiais catódicos difere significativamente do que acontece nos ânodos de grafite", explica Yanan Sun. Enquanto as reacções de co-intercalação nos ânodos de grafite resultam normalmente em eléctrodos de baixa capacidade, a perda de capacidade causada pela co-intercalação nos materiais catódicos investigados é muito baixa. Acima de tudo, certos materiais catódicos oferecem uma enorme vantagem: a cinética é super-rápida, quase como um supercapacitor! sublinha Sun.
Vasta paisagem química para novos materiais
A verdadeira beleza das reacções de co-intercalação reside na sua capacidade de oferecer uma vasta paisagem química para a conceção de novos materiais em camadas para diversas aplicações", afirma Adelhelm. Explorar o conceito de co-intercalação foi extremamente arriscado porque vai contra o conhecimento clássico das pilhas. Por isso, fiquei muito grato por receber financiamento para esta ideia do Conselho Europeu de Investigação através de uma ERC Consolidator Grant. As descobertas são o resultado de um esforço de colaboração de muitas pessoas talentosas e não teriam sido possíveis sem as oportunidades proporcionadas pelo grupo de investigação conjunto sobre análise de baterias operando, financiado pelo Helmholtz-Zentrum Berlin e pela Humboldt-University", acrescenta. O recentemente anunciado Berlin Battery Lab entre a HZB, a HU e a BAM proporcionará ainda mais oportunidades para projectos de investigação conjuntos em Berlim".
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
Yanan Sun, Gustav Åvall, Shu-Han Wu, Guillermo A. Ferrero, Annica Freytag, Pedro B. Groszewicz, Hui Wang, Katherine A. Mazzio, Matteo Bianchini, Volodymyr Baran, Sebastian Risse, Philipp Adelhelm: Nature Materials (2025): Solvent co-intercalation in layered cathode active materials for sodium-ion batteries
Outras notícias do departamento ciência
