Muitos países em todo o mundo estão investindo cada vez mais em novas infraestruturas que permitem a produção de eletricidade a partir de fontes de energia renováveis, particularmente a eólica e a solar. Para tirar o máximo proveito dessas soluções energéticas, também é necessário poder armazenar de forma confiável o excesso de energia gerado durante períodos de forte incidência solar ou eólica, para que possa ser utilizado posteriormente, quando necessário.

Um tipo promissor de bateria para esse fim é baseado em zinco-manganês (Zn-Mn) e utiliza eletrodos aquosos (ou seja, à base de água) em vez de eletrólitos orgânicos inflamáveis. Essas baterias dependem de processos conhecidos como eletrodeposição e dissolução, por meio dos quais materiais sólidos se formam e se dissolvem nos eletrodos à medida que a bateria é carregada e descarregada.

Nas baterias de zinco-manganês, o zinco atua como ânodo (ou seja, o eletrodo que libera elétrons) e o dióxido de manganês (MnO2) como cátodo (ou seja, o eletrodo do qual os elétrons são obtidos). Uma reação química fundamental para o seu funcionamento, conhecida como reação de conversão MnO2/Mn², normalmente só ocorre em meio ácido.

Uma limitação conhecida dessas baterias é que, embora normalmente requeiram eletrólitos ácidos, esses eletrólitos podem provocar a corrosão do eletrodo de zinco. Isso pode limitar significativamente a durabilidade das baterias e reduzir sua vida útil, o que é altamente indesejável para aplicações práticas.

Pesquisadores da Universidade de Waterloo, da Universidade da Califórnia e do Laboratório de Pesquisa do Exército DEVCOM apresentaram recentemente um eletrólito aquoso-orgânico capaz de estabilizar baterias de Zn/MnO2 , prevenindo reações secundárias indesejáveis ??e retardando sua degradação ao longo do tempo. O novo eletrólito, descrito em um artigo publicado na revista Nature Energy , pode abrir caminho para baterias mais seguras e altamente duráveis para o armazenamento confiável de energia a longo prazo em escala de rede elétrica.

"Baterias aquosas de Zn 2+ /Zn||MnO 2 /Mn 2+ — que operam por meio de eletrodeposição/dissolução — oferecem capacidades promissoras de armazenamento em rede de alta tensão e alta capacidade, mas requerem condições ácidas para a conversão de MnO2 /Mn 2+ , e estas induzem corrosão problemática do zinco", escreveram Jinghan Li, Chang Li e seus colegas em seu artigo.

"Apresentamos uma abordagem global que identifica eletrólitos eutéticos aquosos-orgânicos profundos que interrompem estrategicamente a rede de ligações de hidrogênio da água, aumentando simultaneamente a reversibilidade do MnO2 no cátodo e permitindo a ciclagem estável do zinco no ânodo sem decomposição da água."

Para superar as limitações conhecidas das baterias Zn² / Zn||MnO2 / Mn² , Li, Li e seus colegas propuseram-se a projetar novos eletrólitos compostos por água misturada com compostos orgânicos. Os eletrólitos aquosos que eles desenvolveram podem reduzir os pontos de congelamento e alterar a forma como as moléculas de água interagem dentro das células da bateria.

"Esses eletrólitos não inflamáveis regulam a estrutura de solvatação do cátion e a fase do MnO2 depositado, bem como sua morfologia, promovendo estruturas em camadas com vias de transporte iônico aprimoradas que melhoram significativamente a eficiência de remoção", escreveram Li, Li e seus colegas.

Para avaliar o eletrólito recém-desenvolvido, os pesquisadores o introduziram em uma célula de bateria real e analisaram sua influência na estabilidade do eletrodo de zinco, bem como o surgimento de quaisquer reações secundárias. Os resultados foram muito promissores, pois o eletrólito demonstrou melhorar a capacidade da bateria de formar e dissolver MnO2 repetidamente, além de reduzir a corrosão do ânodo de zinco.

Os experimentos iniciais realizados pelos pesquisadores sugerem que o novo eletrólito pode aumentar significativamente a estabilidade de baterias à base de zinco e manganês, prolongando sua vida útil e, assim, facilitando sua introdução em aplicações práticas. Notavelmente, o eletrólito desenvolvido pela equipe também não é inflamável e, portanto, é mais seguro do que a maioria dos eletrólitos líquidos introduzidos no passado.

"Nossa bateria de eletrodo duplo Zn 2+ /Zn||MnO 2 /Mn 2+ atinge alta eficiência coulombiana para ciclagem prolongada (>5.000 ciclos) sem adição externa de ácido, impulsionando o desenvolvimento de baterias de zinco-manganês de alta densidade energética por meio de um projeto racional de eletrólito", escreveram os autores.

No futuro, o novo eletrólito desenvolvido por Li, Li e seus colegas poderá ser testado em células de bateria maiores e em condições reais de rede elétrica, explorando também sua integração com tecnologias de energia renovável. Simultaneamente, os esforços da equipe podem inspirar outras equipes de pesquisa a desenvolver eletrólitos aquosos semelhantes para baterias, com outras composições e químicas subjacentes.