Macrocicletas ajudam a criar baterias verdes e de carregamento rápido

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Macrocicletas ajudam a criar baterias verdes e de
carregamento rápido
Os pesquisadores criaram um protótipo de bateria de carregamento rápido que usa sódio em vez de lítio
e macrociclos para armazenar a energia química.
Crédito da imagem: Dr. Florian Gl?cklhofer (trato)
As baterias de íons de lítio têm visto um sucesso generalizado em aplicações de armazenamento de
energia, mas esforços significativos estão sendo colocados no desenvolvimento da próxima geração de
materiais de bateria que contornam as limitações do lítio, como dependência de metais pesados tóxicos,
recursos limitados e cadeias de suprimentos.
De acordo com uma equipe de pesquisadores do Imperial College London, da Academia Polonesa de
Ciências e da Universidade Nacional de Seul, as baterias de sódio são uma alternativa promissora de
alto desempenho e baixo custo, mas a transição para essas novas baterias não é direta e obstáculos
nesta área de pesquisa ainda precisam ser superados.
“As baterias de íons de sódio são muito menos desenvolvidas do que as baterias de íons de lítio,
embora os íons de sódio possam ser uma alternativa mais barata e mais verde aos íons de lítio, porque
o sódio é muito mais abundante na crosta terrestre do que o lítio”, disse um dos principais autores do
estudo. Florian Glocklhofer, pesquisadora associada e Marie Sk?odowska-Curie Fellow no Imperial
College.
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Em uma célula de bateria simplificada, a energia é gerada como resultado de elétrons que fluem, que
são gerados através de reações químicas que ocorrem na superfície dos eletrodos da bateria. Em
baterias recarregáveis, a energia elétrica de uma fonte externa (ou seja, o carregador) pode reverter a
reação química para restaurar a carga da bateria.
A questão no desenvolvimento da bateria de íons de sódio decorre do fato de que os íons de sódio são
maiores do que os íons de lítio, o que significa uma simples mudança usando os mesmos materiais que
as baterias de íons de lítio – como ânodos de grafite – não é possível. “[Seus tamanho] torna a inserção
desses íons no material do eletrodo da bateria – um processo que ocorre ao carregar a bateria – mais
difícil”, disse Glocklhofer. “É significativamente mais desafiador encontrar materiais de eletrodos
adequados para baterias de íons de sódio do que para baterias de íons de lítio.”
A equipe, também liderada pelo professor Jang Wook Choi, da Universidade Nacional de Seul, propõe
uma abordagem mais orgânica: usando macrociclos – anéis de moléculas que contêm átomos de
carbono e hidrogênio – como eletrodos.
De acordo com seu estudo, que foi recentemente publicado em Angewandte Chemie, até à data, apenas
um pequeno grupo de compostos orgânicos aromáticos foram encontrados para ser adequado como
materiais de ânodo de íons de sódio. E embora os resultados tenham sido promissores em termos de
capacidade da bateria, esses materiais orgânicos sofrem de degradação significativa durante o
carregamento ou o ciclismo a longo prazo.
“Até agora, houve muito poucos estudos que reuniram pesquisas sobre a síntese de macrociclos e
eletrodos de baterias”, disse Glocklhofer. “Isso é surpreendente, pois as moléculas macrocíclicas podem
ter excelentes propriedades para aplicação como materiais de eletrodo de bateria”.
Um corpo recente de literatura tem explorado as promissoras propriedades redox de macrociclos
conjugados em aplicações de baterias com base em sua aromaticidade, uma característica em que
moléculas cíclicas e planares podem alcançar um maior estado de estabilidade através do
compartilhamento ou deslocalização de elétrons. Segundo Glocklhofer, isso aumenta a estabilidade dos
macrociclos carregados e melhora o desempenho a longo prazo da bateria.
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Espaço vazio (azul) entre macrociclos que podem ser usados para
armazenar íons de sódio
“A segunda razão pela qual esses macrociclos funcionam tão bem nesta bateria protótipo também está
relacionada à sua forma cíclica; não importa quão densamente os macrociclos sejam empilhados,
sempre haverá espaço no centro dessas moléculas cíclicas que podem ser ocupadas por íons de sódio
ao carregar a bateria ”, acrescentou.
A equipe mostrou que seu projeto molecular dispunha de materiais orgânicos de eletrodos com
excelente desempenho sob condições de carga / descarga rápida e sem capacidade de desvanecer ao
longo de centenas de ciclos. Eles também demonstraram que a reação redox de seus macrociclos
ocorre através de uma redução de dois elétrons, que foi mostrado para melhorar o desempenho e a
velocidade de carregamento.
“Estamos trabalhando para aumentar a capacidade de energia da nossa bateria, melhorando a estrutura
molecular do macrociclo”, disse Glocklhofer quando perguntado sobre planos futuros. “Isso pode nos
permitir triplicar a capacidade. Embora nossa bateria atual já mostre um desempenho muito bom quando
carregada e descarregada rapidamente e não perca nenhuma capacidade sobre centenas de ciclos de
descarga de carga, sua capacidade é menor do que a capacidade de baterias comerciais de íons de
lítio.
“Acho que nosso estudo pode desencadear novos desenvolvimentos que podem eventualmente trazer
eletrodos de bateria orgânicos para o mercado e contribuir para uma economia verde e sustentável
futura”.
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Referência: S. - Eder, et al. “Interlando entre a aromaticidade local e global em uma Macrocycle
conjugada para ânodos de bateria de sódio orgânico de alto desempenho”. Angewandte Chemie
International Edition (2020) (em inglês). DOI: 10.1002/anie.202003386
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https://doi.org/10.1002/anie.202003386