Study descobriu uma maneira de tornar as baterias que usamos todos os dias mais resistentes, potentes e seguras.
O ano é 2018 e a nossa vida quotidiana é agora alimentada por diferentes dispositivos que funcionam com eletricidade ou em baterias. Nossa dependência de gadgets e dispositivos movidos a bateria está crescendo fenomenalmente. A bateria é um dispositivo que armazena energia química que é convertida em eletricidade. As baterias são como mini reatores químicos que têm reação produzindo elétrons cheios de energia que fluem através do dispositivo externo. Sejam telefones celulares, laptops ou até mesmo outros veículos elétricos, as baterias - geralmente de íons de lítio - são a principal fonte de energia para essas tecnologias. À medida que a tecnologia continua avançando, há uma demanda contínua por baterias recarregáveis mais compactas, de alta capacidade e seguras.
As baterias têm uma longa e gloriosa história. O cientista americano Benjamin Franklin usou o termo “bateria” pela primeira vez em 1749, enquanto realizava experimentos com eletricidade usando um conjunto de capacitores interligados. O físico italiano Alessandro Volta inventou a primeira bateria em 1800 quando sequestrou discos de cobre (Cu) e zinco (Zn) separados por um pano embebido em água salgada. A bateria de chumbo-ácido, uma das baterias recarregáveis mais duradouras e antigas, foi inventada em 1859 e ainda é usada em muitos dispositivos até hoje, incluindo motores de combustão interna em veículos.
As baterias percorreram um longo caminho e hoje elas vêm em uma variedade de tamanhos, desde megawatts grandes, então em teoria elas são capazes de armazenar energia de fazendas solares e iluminar minicidades ou podem ser tão pequenas quanto as usadas em relógios eletrônicos , maravilhoso não é. No que é chamado de bateria primária, a reação que produz o fluxo de elétrons é irreversível e, eventualmente, quando um de seus reagentes é consumido, a bateria se esgota ou morre. A bateria primária mais comum é a bateria de zinco-carbono. Essas baterias primárias eram um grande problema e a única maneira de lidar com o descarte dessas baterias era encontrar um método em que pudessem ser reutilizadas - o que significa torná-las recarregáveis. A substituição das baterias por uma nova era obviamente impraticável e, portanto, à medida que as baterias se tornavam mais poderoso e grande, tornou-se quase impossível não mencionar que era muito caro substituí-los e descartá-los.
A bateria de níquel-cádmio (NiCd) foi a primeira bateria recarregável popular que usava um álcali como eletrólito. Em 1989, foram desenvolvidas baterias de níquel-hidrogênio metálico (NiMH) com vida útil mais longa do que as baterias de NiCd. No entanto, eles tinham algumas desvantagens, principalmente porque eram muito sensíveis à sobrecarga e ao superaquecimento, especialmente quando eram carregados, digamos, em sua taxa máxima. Portanto, eles tinham que ser carregados lenta e cuidadosamente para evitar qualquer dano e demoravam mais para serem carregados por carregadores mais simples.
Inventadas em 1980, as baterias de íons de lítio (LIBs) são as baterias mais comumente usadas no consumo Cartão dispositivos hoje. O lítio é um dos elementos mais leves e possui um dos maiores potenciais eletroquímicos, portanto esta combinação é ideal para a fabricação de baterias. Nas LIBs, os íons de lítio se movem entre diferentes eletrodos através de um eletrólito que é feito de sal e orgânico solventes (na maioria dos LIBs tradicionais). Teoricamente, o metal de lítio é o metal eletricamente mais positivo, com capacidade muito alta e é a melhor escolha possível para baterias. Quando as LIBs estão recarregando pouco, o íon de lítio carregado positivamente se torna metal de lítio. Assim, as LIBs são as baterias recarregáveis mais populares para uso em todos os tipos de dispositivos portáteis devido à sua longa vida e alta capacidade. No entanto, um grande problema é que o eletrólito pode evaporar facilmente, causando um curto-circuito na bateria e isso pode representar risco de incêndio. Na prática, os LIBs são realmente instáveis e ineficientes, pois com o tempo as disposições do lítio tornam-se não uniformes. Os LIBs também têm baixas taxas de carga e descarga e as preocupações de segurança os tornam inviáveis para muitas máquinas de alta potência e alta capacidade, por exemplo, veículos elétricos e híbridos elétricos. Foi relatado que o LIB exibe boa capacidade e taxas de retenção em ocasiões muito raras.
Assim, nem tudo é perfeito no mundo das baterias, pois nos últimos anos muitas baterias foram marcadas como inseguras porque pegam fogo, são pouco confiáveis e às vezes ineficientes. Cientistas de todo o mundo estão em busca de construir baterias que sejam pequenas, recarregáveis com segurança, mais leves, mais resistentes e ao mesmo tempo mais potentes. Portanto, o foco mudou para eletrólitos de estado sólido como a alternativa potencial. Mantendo isso como objetivo, muitas opções foram tentadas por cientistas, mas a estabilidade e a escalabilidade têm sido um obstáculo para a maioria dos estudos. Eletrólitos de polímero têm mostrado grande potencial porque não são apenas estáveis, mas também flexíveis e baratos. Infelizmente, o principal problema com esses eletrólitos de polímero é sua baixa condutividade e propriedades mecânicas.
Em um estudo recente publicado na ACS Nano Letters, pesquisadores mostraram que a segurança de uma bateria e até mesmo muitas outras propriedades podem ser melhoradas adicionando nanofios a ela, tornando a bateria superior. Esta equipe de pesquisadores da Faculdade de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Tecnologia de Zhejiang, na China, baseou-se em suas pesquisas anteriores, onde fabricaram nanofios de borato de magnésio que exibiam boas propriedades mecânicas e condutividade. No estudo atual, eles verificaram se isso também seria verdade para baterias quando tais nanofios são adicionados a um eletrólito de polímero de estado sólido. Eletrólito de estado sólido foi misturado com 5, 10, 15 e 20 pesos de nanofios de borato de magnésio. Foi visto que os nanofios aumentaram a condutividade do eletrólito do polímero de estado sólido, o que tornou as baterias mais robustas e resilientes quando comparadas com as anteriores sem nanofios. Esse aumento na condutividade foi devido ao aumento no número de íons que passam e se movem através do eletrólito e em uma taxa muito mais rápida. Todo o conjunto era como uma bateria, mas com nanofios adicionados. Isso mostrou uma taxa mais alta de desempenho e ciclos aumentados em comparação com baterias normais. Também foi realizado um importante teste de inflamabilidade e constatou-se que a bateria não queimou. Os aplicativos portáteis amplamente usados de hoje, como telefones celulares e laptops, precisam ser atualizados com a energia armazenada máxima e mais compacta. Isso obviamente aumenta o risco de descarga violenta e é administrável para tais dispositivos devido ao pequeno formato das baterias necessárias. Mas, à medida que aplicações maiores de baterias são projetadas e testadas, segurança, durabilidade e potência assumem importância suprema.
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{Você pode ler o artigo de pesquisa original clicando no link DOI fornecido abaixo na lista de fontes citadas}
Fontes)
Sheng O et al. 2018. Eletrólitos de estado sólido multifuncionais habilitados para nanofios de Mg2B2O5 com alta condutividade iônica, excelentes propriedades mecânicas e desempenho retardador de chamas. Nano Letters. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
