Descoberta pode levar a baterias de veículos elétricos mais duradouras e acelerar a transição energética

As baterias perdem capacidade com o tempo, e é por isso que celulares mais antigos ficam sem energia mais rapidamente. Esse fenômeno comum, no entanto, não é completamente compreendido.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores, liderada por um engenheiro da University of Colorado Boulder, revelou o mecanismo subjacente por trás dessa degradação de bateria. A descoberta deles pode ajudar cientistas a desenvolver baterias melhores, o que permitiria que veículos elétricos rodassem mais e durassem mais, ao mesmo tempo em que avançavam tecnologias de armazenamento de energia que acelerariam a transição para energia limpa.

Os resultados foram publicados em 12 de setembro na revista Ciência.

“Estamos ajudando a avançar as baterias de íons de lítio ao descobrir os processos de nível molecular envolvidos em sua degradação”, disse Michael Toney, autor correspondente do artigo e professor do Departamento de Engenharia Química e Biológica. “Ter uma bateria melhor é muito importante para mudar nossa infraestrutura de energia de combustíveis fósseis para fontes de energia mais renováveis.”

Engenheiros têm trabalhado por anos no design de baterias de íons de lítio — o tipo mais comum de baterias recarregáveis ​​— sem cobalto. O cobalto é um mineral raro e caro, e seu processo de mineração tem sido associado a graves preocupações ambientais e de direitos humanos. Na República Democrática do Congo, que fornece mais da metade do cobalto do mundo, muitos mineradores são crianças.

Até agora, os cientistas tentaram usar outros elementos, como níquel e magnésio, para substituir o cobalto em baterias de íons de lítio. Mas essas baterias têm taxas ainda maiores de autodescarga, que é quando as reações químicas internas da bateria reduzem a energia armazenada e degradam sua capacidade ao longo do tempo. Por causa da autodescarga, a maioria das baterias de EV tem uma vida útil de sete a 10 anos antes de precisarem ser substituídas.

Toney, que também é membro do Renewable and Sustainable Energy Institute, e sua equipe se propuseram a investigar a causa da autodescarga. Em uma bateria típica de íons de lítio, os íons de lítio, que carregam cargas, movem-se de um lado da bateria, chamado ânodo, para o outro lado, chamado cátodo, através de um meio chamado eletrólito.

Durante esse processo, o fluxo desses íons carregados forma uma corrente elétrica que alimenta dispositivos eletrônicos. Carregar a bateria inverte o fluxo dos íons carregados e os retorna ao ânodo.

Anteriormente, os cientistas pensavam que as baterias se autodescarregavam porque nem todos os íons de lítio retornavam ao ânodo durante o carregamento, reduzindo o número de íons carregados disponíveis para formar a corrente e fornecer energia.

Usando a Advanced Photon Source, uma poderosa máquina de raios X, no Argonne National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA em Illinois, a equipe de pesquisa descobriu que as moléculas de hidrogênio do eletrólito da bateria se moveriam para o cátodo e ocupariam os pontos aos quais os íons de lítio normalmente se ligam. Como resultado, os íons de lítio têm menos lugares para se ligar no cátodo, enfraquecendo a corrente elétrica e diminuindo a capacidade da bateria.

O transporte é a maior fonte de gases de efeito estufa gerados nos EUA, respondendo por 28% das emissões do país em 2021. Em um esforço para reduzir as emissões, muitas montadoras se comprometeram a deixar de desenvolver carros a gasolina e passar a produzir mais veículos elétricos.

Mas os fabricantes de EV enfrentam uma série de desafios, incluindo alcance de direção limitado, custos de produção mais altos e vida útil da bateria mais curta do que os veículos convencionais. No mercado dos EUA, um carro elétrico típico pode rodar cerca de 250 milhas com uma única carga, cerca de 60% do que um carro a gasolina. O novo estudo tem o potencial de abordar todas essas questões, disse Toney.

“Todos os consumidores querem carros com grande autonomia. Algumas dessas baterias com baixo teor de cobalto podem potencialmente fornecer maior autonomia, mas também precisamos garantir que elas não se quebrem em um curto período de tempo”, disse ele, observando que reduzir o cobalto também pode reduzir custos e abordar questões de direitos humanos e justiça energética.

Com uma melhor compreensão do mecanismo de autodescarga, os engenheiros podem explorar algumas maneiras de evitar o processo, como revestir o cátodo com um material especial para bloquear moléculas de hidrogênio ou usar um eletrólito diferente.

“Agora que entendemos o que está causando a degradação das baterias, podemos informar a comunidade de química de baterias sobre o que precisa ser melhorado ao projetar baterias”, disse Toney.