Universidade Vanderbilt e outras nos EUA desenvolvem bateria de lítio-enxofre com armazenamento de mais de 1700 Wh por quilograma de enxofre

De acordo com pt.wedoany.com-Uma equipe de pesquisa da Universidade Vanderbilt (Vanderbilt University) e da Universidade de Maryland (University of Maryland) nos Estados Unidos desenvolveu um novo sistema químico de bateria de lítio-enxofre, introduzindo cloro para permitir que os átomos de enxofre troquem um elétron adicional durante os ciclos de carga e descarga, aumentando a capacidade de armazenamento de carga do enxofre em cerca de 58%, com a tensão média de operação subindo de cerca de 2,05 volts para 2,54 volts.

O enxofre é abundante, relativamente barato e sua capacidade de armazenamento de energia por peso é muito superior à dos materiais comumente usados como cátodo em baterias de íons de lítio, sendo por isso considerado uma das opções alternativas para materiais de cátodo. No entanto, a tensão de operação dos sistemas químicos tradicionais de lítio-enxofre é relativamente baixa, e parte da capacidade redox do enxofre não é aproveitada.

De-en Jiang, professor titular da cátedra H. Eugene McBrayer em Engenharia Química e professor de Química da Universidade Vanderbilt, afirmou que a abordagem tradicional das baterias de lítio-enxofre deixa parte da capacidade redox do enxofre ociosa, e que a equipe de pesquisa espera ampliar a capacidade redox do enxofre para armazenar mais energia. Nas baterias de lítio-enxofre tradicionais, cada átomo de enxofre troca apenas dois elétrons durante a carga e a descarga; com a introdução do cloro, esse processo é estendido, permitindo que o enxofre troque um terceiro elétron.

A reação adicional ocorre em tensão mais elevada, e a capacidade de armazenamento de energia aumenta simultaneamente com a tensão, permitindo que células experimentais armazenem mais de 1700 watts-hora de energia por quilograma de enxofre.

Para tornar essa reação adicional reversível, é necessário resolver outro problema: durante o carregamento, o cloro precisa interagir com o enxofre, e os compostos de cloreto de enxofre gerados não podem migrar dentro da bateria e reagir com o eletrodo de lítio metálico. A equipe utilizou simulações moleculares para investigar o comportamento dos íons de lítio e dos íons de cloro em diferentes eletrólitos, com base nas quais projetou um eletrólito que mantém o cloro participando da reação com o enxofre, e escolheu um eletrólito no qual os produtos da reação de cloreto de enxofre são pouco solúveis, mantendo essa substância dentro do cátodo e permitindo que a reação seja revertida durante a descarga. Várias técnicas espectroscópicas confirmaram posteriormente que o enxofre entra repetidamente nesse novo estado químico durante os ciclos de carga e descarga.

Os pesquisadores também fabricaram uma pequena célula de bolsa de camada única para verificar o desempenho desse sistema químico além das células tipo botão comumente usadas em pesquisas iniciais de baterias. Essa célula de bolsa apresentou uma taxa de retenção de capacidade de 78% após 100 ciclos de carga e descarga.

Essa tecnologia ainda está em fase inicial de validação; o protótipo utiliza eletrodo de lítio metálico, a quantidade de enxofre é relativamente limitada e o volume de eletrólito também é superior ao nível ideal para baterias comerciais. Considerando os principais componentes da bateria, e não apenas os eletrodos, os pesquisadores estimam que essa abordagem pode alcançar uma energia específica em nível de pilha de 477 Wh/kg, cerca de 37% superior ao sistema tradicional de lítio-enxofre usado como controle no estudo.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Energy.