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A revolução das baterias de lítio-ar: por que os cientistas recuperaram o interesse depois dos anos 2000?
A bateria de lítio-ar (Li-air) é uma bateria eletroquímica de metal-ar que usa a reação de oxidação do lítio no ânodo e a reação de redução do oxigênio no cátodo para gerar corrente elétrica. Cientistas especularam que a combinação de lítio com oxigênio ambiente poderia teoricamente levar a uma célula eletroquímica com a maior energia específica possível. De acordo com a pesquisa, teoricamente, as baterias de lítio-ar anidras podem atingir uma energia específica de cerca de 40,1 MJ/kg quando carregadas (com Li2O2 como produto e excluindo a massa de oxigênio), o que é comparável à energia específica teórica da gasolina, que é cerca de 46,8 MJ/kg. Então muito próximo.
Embora o desempenho das atuais baterias de lítio-ar ainda não tenha atingido o nível teórico, sua energia específica potencial é cerca de cinco vezes maior que a das baterias comerciais de íons de lítio e pode atingir uma autonomia de cerca de 500 quilômetros, o que mais uma vez atraiu a atenção da comunidade científica. Esta tecnologia.
Historicamente, o conceito de baterias de lítio-ar foi proposto já na década de 1970, inicialmente como uma fonte de energia para veículos elétricos e híbridos. Mas o conceito foi considerado na época como tendo riscos desproporcionais aos benefícios, devido aos desafios técnicos enfrentados pelas baterias, incluindo tempo de carga reversa, sensibilidade ao nitrogênio e à água e baixa condutividade interna. Como resultado, a pesquisa sobre baterias de lítio-ar progrediu lentamente até o final dos anos 2000, quando o campo recuperou o interesse devido aos avanços na ciência dos materiais.
Mecanismo de projeto e operação
O princípio básico de operação das baterias de lítio-ar é que os íons de lítio se movem entre o ânodo e o cátodo em um eletrólito. Durante a descarga da bateria, os elétrons são convertidos em energia elétrica através de um circuito externo, enquanto os íons de lítio se movem para o cátodo. Durante o carregamento, o metal de lítio é depositado no ânodo e o oxigênio é liberado no cátodo.
Desafios do cátodo e do ânodo
No projeto de baterias de lítio-ar, o lítio metálico é geralmente usado como ânodo. O lítio libera elétrons no ânodo, mas isso também faz com que o ânodo enfrente vários desafios, como reação com o eletrólito, deposição dendrítica de lítio e alterações químicas na interface do eletrólito. Esses desafios podem resultar em redução na capacidade de energia ou criar risco de curto-circuitos.
No lado do cátodo, a reação de redução de oxigênio também enfrenta os problemas de acúmulo excessivo de produto e baixa eficiência do catalisador, o que afeta muito o desempenho essencial das baterias de lítio-ar.
Inovação em eletrólitos
Para enfrentar os desafios técnicos acima, os pesquisadores começaram a explorar uma variedade de projetos de eletrólitos, incluindo eletrólitos aquosos ácidos, alcalinos e anaquosos. Cada abordagem eletrolítica tem suas próprias vantagens e desvantagens específicas, mas todas têm espaço para melhorias futuras.
Comercialização e perspectivas futuras
Embora o desempenho das baterias de lítio-ar em laboratório seja encorajador, ainda há muitas dificuldades a serem superadas no caminho para a comercialização. Por exemplo, questões como estabilidade a longo prazo e ciclo de vida precisam ser abordadas. A demanda da indústria automotiva por baterias, especialmente baterias de alta densidade energética, continua sendo a principal força motriz para o desenvolvimento de baterias de lítio-ar.
Dadas as pressões duplas da demanda por eletricidade e questões ambientais, os cientistas nunca pararão suas pesquisas. Eles podem encontrar uma solução inovadora no futuro que levará à comercialização da tecnologia de bateria de lítio-ar?
No futuro, as baterias de lítio-ar têm o potencial de se tornar a escolha principal para conduzir veículos elétricos. Isso não ocorre apenas porque sua alta densidade energética pode aumentar significativamente a autonomia de direção, mas também porque eles podem tornar o armazenamento de energia renovável mais eficiente. No entanto, as atuais limitações da tecnologia exigem que os pesquisadores continuem trabalhando duro e explorando caminhos mais inovadores. Chegará o dia em que as baterias de lítio-ar realmente mudarão a maneira como viajamos em veículos elétricos?
