Na comunidade científica, a tecnologia de bateria de Lítio-enxofre tem sido apresentada como uma possível alternativa às baterias de iões de lítio pelo facto de poderem armazenar mais energia. Contudo, as suas limitações associadas ao reduzido número de ciclos de carga que suportam devido, designadamente, ao facto do enxofre no eléctrodo se esgotar, têm complicado a sua produção em série, entre outros fatores.

Investigadores da Universidade de Michigan chegaram agora a uma nova membrana de bateria de inspiração biológica que permitiu desenvolver uma bateria com cinco vezes a capacidade de bateria de iões de lítio convencional que admite, em termos práticos, mais de ciclos de carregamento num veículo elétrico.

De acordo com o trabalho dos cientistas, uma rede de nanofibras de aramida, recicladas a partir de kevlar, pode permitir que as baterias de lítio-enxofre superem o seu “calcanhar de Aquiles” no que concerne à sua vida útil – o número de vezes que podem ser carregadas e descarregadas.

Nicholas Kotov, professor de Ciências Químicas e Engenharia que liderou a pesquisa, explica que vários estudos na literatura científica argumentam a possibilidade de se fazerem várias centenas de ciclos em baterias de lítio-enxofre, no entanto, “isso é alcançado à custa de outros parâmetros – capacidade, percentagem de carregamento, resiliência e segurança”.

Desafio atual

O desafio atualmente, prossegue este investigador, “é fazer uma bateria que aumente a taxa de uma dezena de ciclos de carga/descarga para centenas” e “satisfaça vários outros requisitos, incluindo custo.”

“A engenharia biomimética dessas baterias integrou duas escalas – molecular e nanoescala. Pela primeira vez, integramos a seletividade iónica das membranas celulares e a resistência da cartilagem. A nossa abordagem de sistema integrado permitiu-nos enfrentar os desafios abrangentes das baterias de lítio-enxofre”, salienta este cientista.

Numa fase anterior, a equipa de investigadores trabalhou com redes de nanofibras de aramida mergulhadas num gel eletrolítico para interromper uma das principais causas do curto ciclo de vida: dendritos que crescem de um eletrodo para o outro, perfurando a membrana. A dureza das fibras de aramida parou os dendritos.

Mas as baterias de lítio-enxofre têm outro problema: pequenas moléculas de lítio e enxofre que se formam e fluem para o lítio, ligando-se e reduzindo a capacidade da bateria. A membrana precisava permitir que os iões de lítio fluíssem do lítio para o enxofre e regressassem – e, dessa forma, bloquear as partículas de lítio e de enxofre, conhecidas como polissulfetos de lítio. Essa capacidade é chamada de seletividade iónica.

Copiar dinâmica de poros em membranas biológicas

Copiando a dinâmica de poros em membranas biológicas, os pesquisadores adicionaram uma carga elétrica aos poros da membrana da bateria para repelir os polissulfetos de lítio. Sendo assim, os iões de lítio positivos conseguiram passar livremente e terminar o processo.

Os investigadores também referem que o modelo de bateria em que estão a trabalhar indicia capacidade para lidar com as temperaturas extremas, desde o calor do carregamento em pleno sol até ao frio do inverno.

Esta observação é relevante, pois outro problema das baterias de lítio-enxofre é referente à dificuldade de garantir segurança no seu funcionamento quando sujeitas as altas temperaturas, devido aos seus pontos de ebulição e de explosão.

Os cientistas estão agora a trabalhar no modo como poderão atingir também níveis de referência para outros parâmetros para que possam, de forma séria, serem encarados como alternativa.

A par da sua maior capacidade, as baterias de lítio-enxofre têm vantagens ao nível de sustentabilidade, na medida em que o enxofre é muito mais abundante que o cobalto dos elétrodos de iões de lítio. Além disso, as fibras de aramida da membrana da bateria podem ser recicladas a partir de velhos coletes à prova de balas.

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