O estudo mais recente da Oregon State University apresenta o ferro como um material catódico viável e econômico para baterias de íons de lítio, reduzindo potencialmente a dependência de metais caros como cobalto e níquel, ao mesmo tempo que aumenta a segurança e a sustentabilidade da bateria. Crédito: SciTechDaily
Nova pesquisa apresenta um cátodo à base de ferro para baterias de íon-lítio, oferecendo custos mais baixos e maior segurança em comparação aos materiais tradicionais.
Uma iniciativa colaborativa co-liderada pelo pesquisador químico da Oregon State University, Xiulei “David” Ji, apresenta o ferro como um material catódico viável e sustentável para baterias de íon-lítio, potencialmente substituindo materiais caros como cobalto e níquel. Esta inovação promete maior densidade energética, custos significativamente mais baixos e maior segurança. A abundância de ferro garante um fornecimento constante, tornando este desenvolvimento um passo crucial em direção a uma tecnologia de baterias mais sustentável.
A pesquisa, detalhada em uma publicação recente em Avanços da Ciência, é significativo por vários motivos. Ji explica: “Transformamos a reatividade do ferro metálico, o metal mais barato. Nosso eletrodo pode oferecer uma densidade de energia mais alta do que os materiais catódicos de última geração em veículos elétricos. E como utilizamos ferro, cujo custo pode ser inferior a um dólar por quilograma – uma pequena fração de níquel e cobalto, que são indispensáveis nas atuais baterias de iões de lítio de alta energia – o custo das nossas baterias é potencialmente muito menor.”
Benefícios Econômicos e Ambientais dos Cátodos à Base de Ferro
Atualmente, o cátodo representa metade do custo de produção de uma célula de bateria de íons de lítio. Os cátodos à base de ferro poderiam não apenas reduzir custos, mas também aumentar a segurança e a sustentabilidade da bateria. Com a crescente procura de baterias de iões de lítio para alimentar veículos eléctricos, a oferta global de níquel e cobalto está a tornar-se escassa, com a escassez prevista a ameaçar a produção futura.
Além disso, a densidade energética desses elementos já está sendo estendida ao seu nível máximo. Se for mais longe, o oxigênio liberado durante o carregamento pode causar a ignição das baterias. Além disso, o cobalto é tóxico, o que significa que pode contaminar ecossistemas e fontes de água se vazar dos aterros sanitários.
Junte tudo isso, disse Ji, e será fácil entender a busca global por produtos químicos para baterias novos e mais sustentáveis.
Uma colaboração co-liderada pelo pesquisador químico da Oregon State University, David Ji, espera desencadear uma revolução nas baterias verdes, mostrando que o ferro, em vez de cobalto e níquel, pode ser usado como material catódico em baterias de íons de lítio. Crédito: Xiulei “David” Ji, Universidade Estadual de Oregon
Compreendendo os componentes e funções da bateria
Uma bateria armazena energia na forma de energia química e, por meio de reações, a converte em energia elétrica necessária para alimentar veículos, laptops e outros dispositivos e máquinas. Existem vários tipos de baterias, mas a maioria delas funciona da mesma maneira básica e contém os mesmos componentes básicos.
Uma bateria consiste em dois eletrodos – o ânodo e o cátodo, normalmente feitos de materiais diferentes – bem como um separador e um eletrólito, um meio químico que permite o fluxo de carga elétrica. Durante a descarga da bateria, os elétrons fluem do ânodo para um circuito externo e depois se acumulam no cátodo.
Numa bateria de iões de lítio, como o próprio nome sugere, uma carga é transportada através de iões de lítio à medida que estes se movem através do electrólito do ânodo para o cátodo durante a descarga e vice-versa durante a recarga.
“Nosso cátodo baseado em ferro não será limitado pela escassez de recursos”, disse Ji, explicando que o ferro, além de ser o elemento mais comum na Terra medido pela massa, é o quarto elemento mais abundante na crosta terrestre. . “Não ficaremos sem ferro até que o Sol se transforme numa gigante vermelha.”
Design químico inovador aumenta a reatividade do ferro
Ji e colaboradores de várias universidades e laboratórios nacionais aumentaram a reatividade do ferro em seu cátodo ao projetar um ambiente químico baseado em uma mistura de ânions de flúor e fosfato – íons com carga negativa.
A mistura, completamente misturada como uma solução sólida, permite a conversão reversível – o que significa que a bateria pode ser recarregada – de uma mistura fina de pó de ferro, fluoreto de lítio e fosfato de lítio em sais de ferro.
“Demonstramos que o design de materiais com ânions pode quebrar o teto da densidade de energia para baterias que são mais sustentáveis e custam menos”, disse Ji. “Não estamos usando sal mais caro em conjunto com ferro – apenas aqueles que a indústria de baterias tem usado e depois pó de ferro. Para colocar este novo cátodo em aplicações, não é necessário alterar mais nada – nem novos ânodos, nem novas linhas de produção, nem novo design da bateria. Estamos apenas substituindo uma coisa, o cátodo.”
Perspectivas Futuras e Impacto Ambiental
A eficiência do armazenamento ainda precisa ser melhorada, disse Ji. No momento, nem toda a eletricidade colocada na bateria durante o carregamento está disponível para uso após a descarga. Quando essas melhorias forem feitas, e Ji espera que sejam, o resultado será uma bateria que funciona muito melhor do que as atualmente em uso, custando menos e sendo mais ecológica.
“Se houver investimento nesta tecnologia, não deverá demorar muito para que ela esteja disponível comercialmente”, disse Ji. “Precisamos que os visionários da indústria aloquem recursos para este campo emergente. O mundo pode ter uma indústria catódica baseada num metal quase gratuito comparado ao cobalto e ao níquel. E embora você tenha que trabalhar muito para reciclar o cobalto e o níquel, você nem precisa reciclar o ferro – ele apenas se transforma em ferrugem se você deixá-lo ir.”
Referência: “Desbloqueando o metal de ferro como cátodo para baterias de íon-lítio sustentáveis por meio de uma solução sólida de ânion” por Mingliang Yu, Jing Wang, Ming Lei, Min Soo Jung, Zengqing Zhuo, Yufei Yang, Xueli Zheng, Sean Sandstrom, Chunsheng Wang, Wanli Yang, De-en Jiang, Tongchao Liu e Xiulei Ji, 23 de maio de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adn4441
O programa de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA financiou esta pesquisa, que foi co-liderada por Tongchao Liu do Laboratório Nacional de Argonne e também incluiu Mingliang Yu do estado de Oregon, Min Soo Jung e Sean Sandstrom. Cientistas da Universidade Vanderbilt, da Universidade de Stanford, da Universidade de Maryland, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC também contribuíram.
