Cientistas japoneses desenvolvem uma nova bateria de ar recarregável, totalmente sólida

Por Waseda University 6 de agosto de 2023

Pesquisadores japoneses desenvolveram uma bateria de ar recarregável totalmente em estado sólido (SSAB) usando moléculas orgânicas redox ativas para o eletrodo negativo e um polímero condutor de prótons como eletrólito sólido, apresentando melhor desempenho e durabilidade. Esta abordagem inovadora tem implicações potenciais para aumentar a vida útil das baterias em produtos eletrônicos e avançar em direção a uma sociedade livre de carbono.

Os metais servem tradicionalmente como materiais ativos para os eletrodos negativos das baterias. No entanto, tem havido uma mudança no sentido de usar moléculas orgânicas ativas redox, como compostos à base de quinona e amina, como eletrodos negativos em baterias recarregáveis ​​de metal-ar, que apresentam eletrodos positivos redutores de oxigênio.

Aqui, prótons e íons hidróxido participam das reações redox. Tais baterias apresentam alto desempenho, próximo da capacidade máxima teoricamente possível. Além disso, o uso de moléculas orgânicas redox ativas em baterias de ar recarregáveis ​​supera os problemas associados aos metais, incluindo a formação de estruturas chamadas “dendritos”, que afetam o desempenho da bateria e têm impacto ambiental negativo.

Os pesquisadores desenvolveram uma bateria de ar recarregável totalmente em estado sólido com um eletrodo negativo orgânico à base de dihidroxibenzoquinona e eletrólito de polímero Nafion. Crédito: Kenji Miyatake da Universidade Waseda

No entanto, essas baterias usam eletrólitos líquidos – assim como as baterias metálicas – que apresentam grandes preocupações de segurança, como alta resistência elétrica, efeitos de lixiviação e inflamabilidade.

Agora, num novo estudo publicado recentemente na Angewandte Chemie International Edition, um grupo de investigadores japoneses desenvolveu uma bateria de ar recarregável totalmente em estado sólido (SSAB) e investigou a sua capacidade e durabilidade. O estudo foi liderado pelo professor Kenji Miyatake da Universidade de Waseda e da Universidade de Yamanashi, e de coautoria do professor Kenichi Oyaizu da Universidade de Waseda.

Os pesquisadores escolheram uma substância química chamada 2,5-di-hidroxi-1,4-benzoquinona (DHBQ) e seu polímero poli(2,5-di-hidroxi-1,4-benzoquinona-3,6-metileno) (PDBM) como materiais ativos para o eletrodo negativo devido às suas reações redox estáveis ​​e reversíveis em condições ácidas. Além disso, eles utilizaram um polímero condutor de prótons chamado Nafion como eletrólito sólido, substituindo assim os eletrólitos líquidos convencionais. “Até onde sei, nenhuma bateria de ar baseada em eletrodos orgânicos e eletrólitos de polímero sólido foi desenvolvida ainda”, diz Miyatake.

Depois que o SSAB foi implementado, os pesquisadores avaliaram experimentalmente seu desempenho de carga-descarga, características de taxa e ciclabilidade. Eles descobriram que, ao contrário das baterias de ar típicas que usam um eletrodo negativo metálico e um eletrólito líquido orgânico, o SSAB não se deteriorou na presença de água e oxigênio. Além disso, a substituição da molécula redox-ativa DHBQ pela sua contraparte polimérica PDBM formou um eletrodo negativo melhor. Enquanto a capacidade de descarga por grama do SSAB-DHBQ era de 29,7 mAh, o valor correspondente do SSAB-PDBM era de 176,1 mAh, a uma densidade de corrente constante de 1 mAcm-2.

A bateria, que utiliza um eletrodo negativo polimérico à base de dihidroxibenzoquinona e um eletrólito sólido à base de Nafion, apresenta alta eficiência Coulombic e capacidade de descarga. Crédito: Kenji Miyatake da Universidade Waseda

Os pesquisadores também descobriram que a eficiência coulombiana do SSAB-PDBM foi de 84% a uma taxa de 4 C, que diminuiu gradualmente para 66% a uma taxa de 101 C. Embora a capacidade de descarga do SSAB-PDBM tenha sido reduzida para 44% após 30 ciclos, ao aumentar o conteúdo de polímero condutor de prótons do eletrodo negativo, os pesquisadores puderam melhorá-la significativamente para 78%. Imagens de microscopia eletrônica confirmaram que a adição de Nafion melhorou o desempenho e a durabilidade do eletrodo baseado em PDBM.

Este estudo demonstra a operação bem-sucedida de um SSAB compreendendo moléculas orgânicas redox ativas como eletrodo negativo, um polímero condutor de prótons como eletrólito sólido e um eletrodo positivo do tipo difusão redutor de oxigênio. Os pesquisadores esperam que isso abra caminho para novos avanços. “Esta tecnologia pode prolongar a vida útil da bateria de pequenos dispositivos eletrônicos, como smartphones, e eventualmente contribuir para a criação de uma sociedade livre de carbono”, conclui Miyatake.