Novo material catódico aproxima as baterias de iões de zinco em solução aquosa da realidade
Os investigadores recorreram à moagem com esferas como uma forma económica de criar defeitos de oxigénio no MnO₂ eletrolítico
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Um dos maiores desafios que os cientistas e engenheiros enfrentam na era da energia limpa não é como produzir energia a partir do sol e do vento, mas sim como armazená-la.
Tradicionalmente, as baterias de iões de lítio têm sido utilizadas em veículos porque conseguem armazenar uma grande quantidade de energia num espaço reduzido, desperdiçam apenas uma pequena quantidade de energia durante o carregamento e a descarga e respondem rapidamente às variações na procura de energia. Apesar destas vantagens, as baterias de iões de lítio apresentam riscos de inflamabilidade, são suscetíveis a escassez na cadeia de abastecimento e são dispendiosas, o que tem impulsionado a investigação de outras tecnologias de materiais para as baterias do futuro.
Uma tecnologia que os investigadores têm vindo a estudar para utilização em aplicações de baterias são as baterias aquosas de iões de zinco (AZIBs). Ao contrário das baterias tradicionais de iões de lítio, as AZIB utilizam iões de zinco divalentes (Zn²⁺, um átomo metálico com carga positiva que perdeu dois eletrões) em vez de iões de lítio monovalentes (Li⁺) como portadores de carga, ou seja, as partículas em movimento que transportam uma carga elétrica para criar um fluxo de eletricidade. Além disso, as AZIB utilizam soluções seguras à base de água, com ácido suave ou sais neutros, em vez de solventes líquidos orgânicos voláteis e altamente inflamáveis como eletrólito, o que as torna não inflamáveis. Os ânodos das AZIB, ou fonte de eletrões e local onde ocorre a oxidação química, são também constituídos por zinco barato e abundante, em vez de compostos de lítio, tornando-as mais económicas.
Encontrar um cátodo ideal — ou seja, um elétrodo com carga positiva que adquira eletrões durante a descarga — para as AZIBs tem sido o principal obstáculo ao desenvolvimento desta tecnologia. Para resolver esta questão, uma equipa de investigadores da Universidade de Chongqing, da Universidade de Educação de Guizhou, da Universidade de Hainan e da Universidade de Taizhou explorou a utilização de dióxido de manganês eletrolítico (MnO₂) fabricado como material de cátodo para as AZIB, devido ao seu baixo custo, abundância, elevada capacidade de armazenamento de energia e segurança.
A equipa publicou o seu artigo, intitulado «Unveiling the action mechanism of synergistic d/p-band center modulation on the zinc storage capability of industrial-grade MnO₂ cathode» (Revelando o mecanismo de ação da modulação sinérgica do centro das bandas d/p na capacidade de armazenamento de zinco do cátodo de MnO₂ de qualidade industrial), a 15 de julho na revista Nano Research Energy, publicada pela Tsinghua University Press.
«A aplicação prática doMnO₂ eletrolítico fabricado industrialmente(EMD) é dificultada pela sua fraca condutividade intrínseca — a capacidade de conduzir eletricidade, o que retarda a cinética da reação — e pela sua instabilidade estrutural durante os ciclos de carga e descarga. Esta última conduz a transições de fase irreversíveis — alterações termodinâmicas que não permitem que o sistema regresse ao seu estado inicial sem a adição de energia externa —, à degradação estrutural e à consequente dissolução do manganês, causando uma perda irreversível de capacidade. Por conseguinte, a exploração de cátodos de EMD representa um passo crítico para colmatar a lacuna entre a investigação fundamental e a implementação prática das baterias AZIB… e soluções de armazenamento de energia à escala da rede comercialmente viáveis», afirmou Zhenyue Xing, professor associado na Faculdade de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Hainan, em Haikou, China, e um dos autores do estudo de investigação.
Uma forma de melhorar a condutividade eletrónica, enfraquecer o aprisionamento eletrostático dos iões Zn²⁺ e acelerar a cinética de difusão iônica do EMD consiste em criar defeitos de oxigénio — ou seja, átomos de oxigénio em falta na estrutura cristalina de um material sólido, como o MnO₂ — no EMD comercial. Estes defeitos deixam para trás eletrões em excesso e permitem que os eletrões se movam livremente através do material.
Os investigadores utilizaram a moagem com esferas, um processo que recorre ao movimento mecânico de rotação ou vibração de esferas pesadas no interior de um recipiente para moer pós, como forma económica de criar defeitos de oxigénio no EMD. Através deste processo, a energia de cisalhamento mecânico permite que o oxigénio da rede cristalina do EMD escape.
A equipa mediu as propriedades básicas do EMD submetido à moagem com esferas, em comparação com o EMD nativo, tais como as energias de adsorção (a força de ligação entre uma molécula e uma superfície) e as barreiras cinéticas, refletidas nas energias de migração dos iõesZn²⁺e H⁺, ou seja, as barreiras energéticas que os átomos ou moléculas carregados têm de superar para se deslocarem através de um material sólido ou de uma rede cristalina.
«Após o tratamento de moagem com esferas, o teor de oxigénio do EMD diminui de 68,93 % para 61,17 %, enquanto o teor de manganês aumenta correspondentemente de 31,07 % para 38,83 %. Esta alteração na composição indica a formação de lacunas de oxigénio (Ov) na estrutura do MnO₂. A presença deOv promove o transporte de eletrões através da semimetalicidade induzida (uma propriedade em que os eletrões com uma determinada direção de spin conduzem eletricidade como um metal, enquanto os eletrões com spin oposto se comportam como um isolante), o que melhora a condutividade e, consequentemente, o desempenho eletroquímico do cátodo de MnO₂», afirmou Xing.
Os investigadores descobriram que os defeitos de oxigénio no EMD submetido a moagem esférica alteram os níveis de energia das bandas metálicas (d) e das bandas não metálicas (p), que se referem aos orbitais atómicos que conferem propriedades condutoras metálicas ou não metálicas, de modo a equilibrar as energias de ligação iónica, impedindo o aprisionamento ou a retenção de iõesZn²⁺e H⁺, uma das desvantagens do EMD nativo. Este desvio nos níveis de energia também reduz as barreiras de difusão (a energia necessária para que os iões se desloquem através de uma estrutura reticular) e limita as distorções estruturais observadas no EMD durante os ciclos de carga e descarga.
«Este estudo não só fornece um material de elétrodo de alto desempenho para ZIBs avançadas, como também oferece uma compreensão mecanicista profunda do papel crítico da química dos defeitos na regulação da cinética de reação, apresentando um caminho promissor e escalável para o desenvolvimento de materiais de armazenamento de energia da próxima geração», afirmou Xing.
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.
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