Um novo eletra³lito a  base de la­tio, inventado por cientistas da Universidade de Stanford, poderia abrir caminho para a próxima geração de vea­culos elanãtricos movidos a bateria.

Em um estudo publicado em 22 de junho na Nature Energy , os pesquisadores de Stanford demonstram como seu novo design de eletra³litos aumenta o desempenho das baterias de metal de la­tio, uma tecnologia promissora para alimentar vea­culos elanãtricos, laptops e outros dispositivos.

"A maioria dos carros elanãtricos funciona com baterias de a­on-la­tio, que estãose aproximando rapidamente do limite tea³rico de densidade de energia", disse o co-autor do estudo, Yi Cui , professor de ciência e engenharia de materiais e ciência de fa³tons no SLAC National Accelerator Laboratory . "Nosso estudo se concentrou em baterias de metal de la­tio, que são mais leves que as baterias de a­on de la­tio e podem potencialmente fornecer mais energia por unidade de peso e volume".

As baterias de a­on de la­tio, usadas em tudo, de smartphones a carros elanãtricos, tem dois eletrodos - um ca¡todo com carga positiva contendo la­tio e um a¢nodo com carga negativa, geralmente feito de grafite. Uma solução eletrola­tica permite que os a­ons de la­tio se desloquem entre o a¢nodo e o ca¡todo quando a bateria éusada e quando recarregada.

Uma bateria de metal de la­tio pode armazenar cerca de duas vezes mais eletricidade por quilograma do que a bateria de a­on-la­tio convencional de hoje. As baterias de metal de la­tio fazem isso substituindo o a¢nodo de grafite por metal de la­tio, que pode armazenar significativamente mais energia.

"As baterias de metal de la­tio são muito promissoras para vea­culos elanãtricos, onde peso e volume são uma grande preocupação", disse o co-autor do estudo Zhenan Bao , professor de KK Lee na Escola de Engenharia . “Mas durante a operação, o a¢nodo de metal de la­tio reage com o eletra³lito la­quido. Isso causa o crescimento de microestruturas de la­tio chamadas dendritos nasuperfÍcie do a¢nodo, o que pode fazer com que a bateria pegue fogo e falhe. ”

Os pesquisadores passaram décadas tentando resolver o problema dos dendritos.

"O eletra³lito foi o calcanhar de Aquiles das baterias de metal de la­tio", disse o co-autor principal Zhiao Yu, um estudante de graduação em química. "Em nosso estudo, usamos a química orga¢nica para projetar racionalmente e criar eletra³litos novos e esta¡veis ​​para essas baterias".

Para o estudo, Yu e seus colegas exploraram se poderiam resolver os problemas de estabilidade com um eletra³lito la­quido comum dispona­vel no mercado.

"Na³s levantamos a hipa³tese de que a adição de a¡tomos de flaºor na molanãcula de eletra³lito tornaria o la­quido mais esta¡vel", disse Yu. “O flaºor éum elemento amplamente usado em eletra³litos para baterias de la­tio. Usamos sua capacidade de atrair elanãtrons para criar uma nova molanãcula que permite que o a¢nodo do metal de la­tio funcione bem no eletra³lito. ”

O resultado foi um novo composto sintanãtico, abreviado FDMB, que pode ser facilmente produzido a granel.

"Os projetos de eletra³litos estãoficando muito exa³ticos", disse Bao. “Alguns mostraram boas promessas, mas são muito caros de produzir. A molanãcula de FDMB que Zhiao criou éfa¡cil de fabricar em grande quantidade e bastante barata. ”

A equipe de Stanford testou o novo eletra³lito em uma bateria de metal de la­tio.

Os resultados foram drama¡ticos. A bateria experimental reteve 90% de sua carga inicial após 420 ciclos de carga e descarga. Nos laboratórios, as baterias tipicas de metal de la­tio param de funcionar após cerca de 30 ciclos.

Os pesquisadores também mediram com que eficiência os a­ons de la­tio são transferidos entre o a¢nodo e o ca¡todo durante o carregamento e o descarregamento, uma propriedade conhecida como "eficiência coula´mbica".

"Se vocêcobra 1.000 a­ons de la­tio, quantos vocêrecebe depois da descarga?" Cui disse. “Idealmente, vocêdeseja 1.000 em 1.000 para uma eficiência coulombic de 100%. Para ser comercialmente via¡vel, uma canãlula de bateria precisa de uma eficiência coula´mbica de pelo menos 99,9%. Em nosso estudo, obtivemos 99,52% nas meias células e 99,98% nas células completas; uma performance incra­vel. "

Para potencial uso em eletra´nicos de consumo, a equipe de Stanford também testou o eletra³lito FDMB em células de bolsa de metal de la­tio sem a¢nodo - baterias comercialmente disponí­veis com ca¡todos que fornecem la­tio ao a¢nodo.

"A ideia éusar apenas o la­tio no lado do ca¡todo para reduzir o peso", disse o co-autor principal Hansen Wang, um estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais. "A bateria sem a¢nodo executou 100 ciclos antes de sua capacidade cair para 80% - não tão boa quanto uma bateria de a­on-la­tio equivalente, que pode durar de 500 a 1.000 ciclos, mas ainda éuma das células sem a¢nodo com melhor desempenho".

"Esses resultados são promissores para uma ampla gama de dispositivos", acrescentou Bao. "Baterias leves e sem a¢nodos sera£o um recurso atraente para drones e muitos outros produtos eletra´nicos de consumo".

O Departamento de Energia dos EUA (DOE) estãofinanciando um grande consãorcio de pesquisa chamado Battery500 para viabilizar baterias de metal de la­tio, o que permitiria aos fabricantes de automa³veis construir vea­culos elanãtricos mais leves, capazes de percorrer distâncias muito mais longas entre as cargas. Este estudo foi apoiado em parte por uma concessão do consãorcio, que inclui Stanford e SLAC.

Ao melhorar a¢nodos, eletra³litos e outros componentes, o Battery500 visa triplicar a quantidade de eletricidade que uma bateria de metal de la­tio pode fornecer, de cerca de 180 watts-hora por quilograma, quando o programa começou em 2016, para 500 watts-hora por quilograma. Uma relação energia / peso mais alta, ou "energia especa­fica", éessencial para solucionar a ansiedade de alcance que os potenciais compradores de carros elanãtricos costumam ter.

"A bateria sem a¢nodo em nosso laboratório alcana§ou cerca de 325 watts-hora por quilograma de energia especa­fica, um número respeita¡vel", disse Cui. "Nosso pra³ximo passo pode ser trabalhar em colaboração com outros pesquisadores do Battery500 para construir células que atinjam a meta do consãorcio de 500 watts-hora por quilograma".

Além de uma vida útil mais longa e melhor estabilidade, o eletra³lito FDMB também émuito menos inflama¡vel que os eletra³litos convencionais, como demonstraram os pesquisadores neste va­deo incorporado.

"Nosso estudo basicamente fornece um princa­pio de design que as pessoas podem aplicar para obter melhores eletra³litos", acrescentou Bao. "Acabamos de mostrar um exemplo, mas existem muitas outras possibilidades."