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O mistério das baterias de lítio-ar: por que elas são aclamadas como a futura estrela dos veículos elétricos?
À medida que a demanda por veículos elétricos e energia renovável aumenta, as baterias de lítio-ar (Li-air) rapidamente se tornaram o foco da indústria devido à sua densidade energética teoricamente alta. Baterias de lítio-ar são células eletroquímicas de metal-ar que geram corrente elétrica por meio da oxidação do lítio no ânodo e da redução do oxigênio no cátodo. Diz-se que a bateria, que usa lítio para reagir com o oxigênio do ambiente, tem potencial para ter uma densidade de energia comparável à da gasolina em motores de combustão interna.
Teoricamente, a densidade energética das baterias de lítio-ar pode atingir cerca de 40,1 MJ/kg, ou 11,14 kWh/kg, o que lhe confere um potencial incomparável para uso em veículos elétricos.
De acordo com pesquisas existentes, a densidade energética real das baterias de lítio-ar também é bastante impressionante, variando de cerca de 6,12 MJ/kg (1,7 kWh/kg). Esses dados excedem em muito as atuais baterias comerciais de íons de lítio e podem, teoricamente, suportar um veículo elétrico de até 2.000 kg para percorrer cerca de 500 quilômetros. No entanto, para atingir a comercialização, as baterias de lítio-ar ainda precisam enfrentar grandes desafios, como potência prática e ciclo de vida.
História
O conceito de baterias de lítio-ar surgiu na década de 1970, quando eram vistas principalmente como uma fonte potencial de energia para veículos elétricos e híbridos. No entanto, os desafios tecnológicos mantiveram o conceito adormecido por décadas, mas os avanços na ciência dos materiais levaram a um ressurgimento do interesse na tecnologia na década de 2000.
Embora os avanços tecnológicos em baterias de lítio-ar tenham sido impressionantes, desafios como tempo de carregamento da bateria, sensibilidade à umidade e baixa condutividade do material Li2O2 continuam sendo barreiras significativas à comercialização.
Design e Operação
Baterias de lítio-ar geralmente consistem em um ânodo, um cátodo e um eletrólito. Durante a descarga, os íons de lítio se movem entre o ânodo e o cátodo através do eletrólito, e os elétrons viajam através de um circuito externo para realizar trabalho elétrico. Durante o carregamento, o metal de lítio é depositado no ânodo e o oxigênio é liberado no cátodo.
Ânodo
Comparado com outros materiais metálicos, o lítio metálico é a principal escolha de ânodo em baterias de lítio-ar. A alta capacidade específica dos ânodos de lítio (3.840 mAh/g) quando as condições são boas é, sem dúvida, uma de suas vantagens, mas eles também enfrentam desafios como reações entre o metal de lítio e o eletrólito e o risco de dendritos de lítio, que podem reduzir o desempenho da bateria. e tempo de vida.
Atualmente, muitas partes estão buscando abordar os impactos negativos desses lítio dendríticos por meio de novos materiais eletrolíticos ou design de interface aprimorado.
Cátodo
A gaseificação catódica é uma das principais tecnologias das baterias de lítio-ar, e a reação de redução de oxigênio é crucial para a eficiência da bateria. O estudo destacou que catalisadores de metal mesoporosos coordenados com carbono podem efetivamente melhorar a cinética de redução e o desempenho da capacidade específica do cátodo, o que lhe permite fornecer melhor desempenho em aplicações práticas.
Diversidade de eletrólitos
Atualmente, existem quatro caminhos principais para o projeto de eletrólitos de baterias de lítio-ar: eletrólito ácido aquoso, eletrólito alcalino aquoso, eletrólito de prótons não aquoso e eletrólito anaquoso. Cada eletrólito tem suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, eletrólitos aquosos podem evitar o entupimento do cátodo, mas a reação do metal de lítio à água trará novos riscos de segurança.
O projeto do eletrólito híbrido aquoso-anaquoso tenta combinar as vantagens de ambos para criar uma bateria de lítio-ar mais segura e eficiente.
Perspectivas e desafios futuros
Além das questões técnicas, os desafios enfrentados pelas baterias de lítio-ar incluem confiabilidade, economia e aceitação no mercado. À medida que a demanda por baterias de maior densidade energética continua aumentando, a comunidade de pesquisa científica e empresas relacionadas estão trabalhando duro para resolver esses problemas. \
ConclusãoO potencial teórico e as perspectivas de aplicação prática das baterias de lítio-ar são atraentes, mas muitas barreiras técnicas e de mercado ainda precisam ser superadas para torná-las bem-sucedidas no mercado de veículos elétricos. Ainda é preciso tempo para provar se as baterias de lítio-ar podem se tornar a escolha principal para veículos elétricos no futuro e como concretizar esse ideal.
