“Santo Graal” das Baterias: Bateria de Magnésio de Estado Sólido

A tecnologia evolui a um ritmo alucinante mas na sua base está um elemento essencial: a energia. Não só é importante a forma como se extrai e de onde se extrai a energia, como também, no mundo moderno, é crucial desenvolver onde se guarda essa energia. As baterias, desta forma, ganham uma importância e relevância nunca antes imaginada.

O futuro poderá não passar pelos iões de lítio e poderá também não passar pelos iões de sódio. Segundo os especialistas, o Santo Graal das baterias são os iões de magnésio. E, ao que tudo indica, está a um passo de ser real.

Bateria de iões de magnésio de estado sólido = desempenho e segurança

Uma equipa de cientistas do Departamento de Energia (DOE) no Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) descobriu o mais rápido condutor de estado sólido de iões de magnésio, um passo importante para a produção de baterias de iões de magnésio de estado sólido, que permite fabricar baterias quer de alta densidade quer de alta segurança.

O eletrólito, que conduz a carga para trás e para a frente entre o cátodo e o ânodo da bateria, é um líquido em todas as baterias comerciais, o que as torna potencialmente inflamáveis, especialmente em baterias de iões de lítio. Um condutor de estado sólido, que tem potencial para se tornar um eletrólito, seria muito mais resistente ao fogo.

Obrigados por um impasse

Investigadores do DOE no Joint Center for Energy Storage Research, em conjunto com o Laboratório Nacional de Argonne, nos Estados Unidos, trabalhavam numa bateria de magnésio, que oferece maior densidade de energia do que o lítio, mas foram bloqueadas pela escassez de boas opções para um eletrólito líquido, a maioria das quais tende a ser corrosiva contra outras partes da bateria.

O magnésio é uma tecnologia tão nova que não tem nenhum eletrólito líquido bom. Então pensámos, por que não saltar e fazer um eletrólito de estado sólido?

Referiu Gerbrand Ceder, cientista da faculdade sénior de Berkeley Lab.

O material que foi apresentado, espinela de seleneto de escândio magnésio, tem mobilidade de magnésio comparável aos eletrólitos de estado sólido existentes para as baterias de lítio. Os seus resultados foram relatados na Nature Communications, num artigo intitulado "Mobilidade de alto teor de magnésio em calcogenetos de espinélio ternário".

O Centro de Inovação da DOE patrocinou o estudo e os autores principais são Pieremanue Canepa e Shou-Hang Bo, investigadores no Berkeley Lab.

Com a ajuda do esforço concertado que reúne metodologias computacionais de ciência dos materiais, síntese e uma variedade de técnicas de caracterização, identificámos uma nova classe de condutores sólidos que podem transportar iões de magnésio a uma velocidade sem precedentes.

Referiu Pieremanuele Canepa, um dos principais investigadores desta tecnologia.

Colaboração entre o MIT e o Argonne

A equipa de investigação também incluiu cientistas do MIT, que trouxeram recursos computacionais. Já o Laboratório Nacional de Argonne forneceu a confirmação chave (experimental) do material de espinela de seleneto de escândio magnésio, para documentar a sua estrutura e função.

O co-autor Baris Key, um químico investigador em Argonne, realizou testes de espetroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN). Esses testes foram os primeiros passos para provar experimentalmente que os iões de magnésio poderiam mover-se através do material tão rapidamente quanto os estudos teóricos haviam previsto.

A ressonância magnética nuclear é semelhante à imagem por ressonância magnética (MRI), que é comummente utilizada em ambientes médicos, onde mostra átomos de hidrogénio da água nos músculos humanos, nervos, tecido adiposo e outras substâncias biológicas. Os investigadores também podem ajustar a frequência de RMN para detetar outros elementos, incluindo os iões de lítio ou magnésio encontrados nos materiais da bateria.

Os dados de RMN do material de seleneto de escândio magnésio, no entanto, envolveram material de estrutura desconhecida com propriedades complexas, tornando-os desafiantes de interpretar.

Os investigadores tiveram muitas dificuldades na investigação, isto porque os materiais são tão novos que os protocolos são basicamente inexistentes. Referiram também que essas descobertas só foram possíveis ao combinar uma abordagem multi-técnica, isto é, quando utilizaram as tais medidas de ressonância magnética nuclear de estado sólido e sincrotrão, além da caracterização eletroquímica convencional.

Sincrotrão é um acelerador de partículas cíclico, no qual um campo elétrico é responsável pela aceleração das partículas e um campo magnético é responsável pela mudança de direção das partículas.

Fazer o impossível

A equipa planeia desenvolver mais trabalho para usar o condutor numa bateria.

Isso provavelmente tem um longo caminho a percorrer para que possamos fazer uma bateria, mas é a primeira demonstração de que podemos fazer materiais sólidos com uma boa mobilidade de magnésio através desse caminho. O magnésio é pensado para se mover devagar na maioria dos sólidos, então ninguém pensou que isso seria possível.

Referiu o investigador Ceder.

Shou-Hang Bo, agora professor adjunto da Universidade Jiao Tong, de Xangai, disse que a descoberta poderia ter um efeito dramático sobre a paisagem energética. "Este trabalho reuniu uma ótima equipa de cientistas de várias disciplinas científicas e assumiu a primeira facada no desafio formidável de construir uma bateria de magnésio de estado sólido", referiu. "Embora esteja na sua infância, esta tecnologia emergente pode ter um impacto transformador no armazenamento de energia num futuro próximo".

Ainda há, contudo, enormes esforços industriais para tornar esta investigação numa bateria de estado sólido. Claro que este nível de desenvolvimento é visto como o Santo Graal das baterias, pois traz performance e segurança, tudo o que se procura numa bateria moderna.

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