Avanço em baterias de lítio-CO₂ captura carbono enquanto alimenta dispositivos

Engenheiros da Universidade de Surrey introduziram uma bateria de lítio-CO2 que remove dióxido de carbono do ar como parte de sua operação normal. O design aprimorado da bateria tem o potencial de superar suas antecessoras, ajudando a combater a poluição e as mudanças climáticas. Aqui está o que você precisa saber.

Por que as baterias de íons de lítio não são suficientes em termos de energia verde

O futuro é sem fio, e os fabricantes entendem que há uma demanda por soluções de baterias limpas. As baterias mais comuns usadas hoje são as de íons de lítio. Essas baterias podem ser encontradas em dispositivos do dia a dia, como celulares, veículos elétricos e smartwatches. As baterias de íons de lítio oferecem densidade e ciclos de carga decentes e são acessíveis. No entanto, elas não são sustentáveis ​​e continuam sendo um grande poluente em aterros sanitários em todo o mundo.

Principais desafios das baterias de íons de lítio: segurança, custo e desperdício

Existem vários problemas com as baterias de íons de lítio que limitam sua eficácia e eficiência. Por exemplo, elas exigem o uso de materiais caros de terras raras. Recursos como a platina são difíceis de obter e aumentam consideravelmente o custo do processo de fabricação. Além disso, a demanda por minerais de terras raras tornou-se uma preocupação de segurança para as nações que agora buscam garantir amplos suprimentos desses itens essenciais.

As baterias de íons de lítio também sofrem com ciclos de vida curtos. O design dessas baterias incorre em alguma perda a cada ciclo de carga. Como tal, as baterias de íons de lítio reduzem o desempenho a cada ciclo. Além disso, são muito caras para descartar e podem se tornar um risco à segurança se carregadas incorretamente ou se ocorrer descontrole térmico.

Fuga térmica refere-se ao superaquecimento das células de baterias de íons de lítio, fazendo com que as células circundantes também superaqueçam. O resultado é um colapso maciço que pode causar incêndios ou até explosões. Os danos causados ​​durante esses eventos foram bem documentados. Uma simples busca revelará um longo histórico de incêndios em baterias de íons de lítio em todo o mundo.

Sobre o potencial

Outra preocupação dos usuários de baterias de íons de lítio é o sobrepotencial. Este termo se refere à quantidade de energia usada para iniciar uma reação química e carregar a bateria. Os sistemas de íons de lítio sofrem com alto sobrepotencial. No entanto, tudo isso está prestes a mudar graças a alguns cientistas engenhosos.

O que são baterias de lítio-CO₂ e como elas funcionam?

As baterias de lítio-CO2 surgiram como uma alternativa promissora. Essas baterias recarregáveis ​​utilizam gás CO2 como transportador de energia. Essa estrutura oferece alguns benefícios importantes, como melhor desempenho, maior capacidade e qualidade do ar mais limpa. Consequentemente, muitos acreditam que as baterias de lítio-CO2 são o melhor passo para atingir emissões líquidas zero de carbono no futuro.

Desvantagens das baterias atuais de lítio-CO2

Uma das principais desvantagens do uso atual de baterias de Li-CO2 é a falta de catalisadores confiáveis ​​e de baixo custo. Reconhecendo esse fato, engenheiros criaram uma nova versão que integra avanços recentes em ciência dos materiais e modelagem computacional. A nova abordagem promete abordar dois problemas simultaneamente: o consumo de energia e a qualidade do ar.

Estudo inovador sobre baterias de lítio-CO₂ da Universidade de Surrey

O estudo¹"Sobrepotencial ultrabaixo em baterias recarregáveis ​​de Li-CO2 possibilitado pelo fosfomolibdato de césio como um catalisador redox eficaz”, publicado na Advanced Science, investiga “respiração" baterias. Esses dispositivos usam CO2 para interagir com um catalisador especialmente desenvolvido, criando um ciclo de energia limpa.

Baterias de lítio-CO2 desmontadas

Como parte do processo, os engenheiros criaram diversas baterias de Li-CO2 com diferentes catalisadores. Em seguida, submeteram as baterias a milhares de ciclos de carga, o que representa anos de uso diário. Em seguida, desmontaram as unidades após o período do ciclo para obter uma compreensão mais aprofundada do que ocorria em termos de degradação, acúmulo de resíduos e outros fatores que limitavam o desempenho. Notavelmente, a equipe notou que depósitos de carbonato de lítio se formavam e que eles podiam ser facilmente removidos para permitir que a bateria melhorasse seu ciclo de carga.

Fonte - Escola de Química e Engenharia Química de Surrey e Instituto de Tecnologia Avançada

Modelo de computador com baterias de lítio-CO2

Os pesquisadores utilizaram os dados obtidos em seus experimentos para criar um modelo computacional preciso. O modelo utiliza a teoria do funcional da densidade (DFT) para prever detalhes e mudanças críticas. O modelo aumentou a capacidade da equipe de conduzir experimentos mentais e ajudou a equipe a reduzir os custos totais, ao mesmo tempo em que expandia seus testes. O objetivo era utilizar o modelo para encontrar o melhor material para criar uma estrutura porosa estável que pudesse suportar as reações químicas que fazem as baterias de lítio funcionarem.

Fosfomolibdato de Césio (CPM)

Após alguns testes, os engenheiros determinaram que o fosfomolibdato de césio (Cs3PMo12O40, CPM) era uma opção promissora. Os engenheiros aplicaram o CPM como catalisador em baterias de Li-CO2 e, em seguida, realizaram vários testes. Para criar o CPM, os engenheiros sintetizaram os catalisadores e revestiram um cátodo.

O material foi considerado ideal por apresentar muitos sítios eletroativos e uma superfície enriquecida com oxigênio. Além disso, o compósito possui uma morfologia mesoporosa única que aumenta sua durabilidade e desempenho durante os ciclos de carga, o que significa que essas baterias consomem menos energia para recarregar em comparação com suas antecessoras.

Este poro CPM é ideal porque suporta a difusão eficiente de moléculas de CO2 e íons Li+ para os sítios ativos. Além disso, os poros desempenham outra função, acomodando produtos de descarga. Notavelmente, as estruturas cristalinas medem apenas 140 nm de tamanho.

Difração de Raios X de Pó (PXRD)

Os engenheiros revisaram a estrutura cristalina e a composição do catalisador de CPM sintetizado usando um método de difração de raios X em pó. Essa ferramenta funciona focalizando raios X na estrutura e analisando seu padrão de difração.

Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)

O próximo passo foi determinar qual energia foi absorvida ou emitida devido aos processos. Os engenheiros utilizaram uma espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier para realizar essa etapa. A equipe notou a presença das partículas de Keggin durante o processo, o que estava em linha com as previsões do modelo computacional.

Unidades Keggin

A equipe se esforçou bastante para determinar se sua criação possuía unidades de keggin integradas à superfície. Unidades de keggin referem-se a uma estrutura cristalina conhecida por sua robustez e estabilidade estrutural. É a configuração ideal para baterias, pois retém sua estrutura durante o processo de ciclagem.

Espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS)

A equipe utilizou espectroscopia de fotoelétrons de raios X para obter uma compreensão mais aprofundada do estado químico do catalisador durante e após o processo. Eles determinaram com precisão a composição elementar da superfície e a ajustaram para otimizar o desempenho e a longevidade da bateria.

Termogravimetria (TG)

O próximo passo foi determinar se havia umidade entrando no sistema ou sendo produzida como subproduto. Os pesquisadores utilizaram termogravimetria para avaliar o teor de água do compósito de CPM. O teste revelou que o novo design poderia ser compatível com o desenvolvimento de baterias de alta densidade.

Teste de baterias de lítio-CO2

Uma série de experimentos de laboratório ajudou os engenheiros a confirmar suas previsões. A equipe realizou simulações físicas e computacionais para avaliar a capacidade eletrocatalítica do catalisador CPM em aprimorar a cinética CRR/CER. Eles determinaram que sua estrutura possuía algumas características únicas que o tornam ideal para uso como catalisador.

Resultados dos testes de baterias de lítio-CO2

Os resultados dos testes foram surpreendentes. A nova estrutura da bateria operou sem falhas. A equipe conduziu 100 ciclos a 50 mA g−1 com uma limitação de capacidade de 500 mAh g−1. Eles observaram que o dispositivo conseguia armazenar mais energia e era mais fácil de carregar do que as opções tradicionais de íons de lítio. Impressionantemente, as baterias atualizadas demonstraram uma excelente capacidade de descarga de 15440 mAh g−1 a 50 mA g−1 com eficiência coulômbica de 97.3%. Além disso, o catalisador forneceu um baixo sobrepotencial de 0.67 V.

Esses dados demonstraram que o novo design foi muito mais eficaz do que o catalisador tradicional. Especificamente, ele oferece maior capacidade de carga e descarga e menor sobrepotencial nas baterias. Além disso, o design da bateria de Li-CO2 suporta uma longa estabilidade de 107 ciclos a 50 mA g−1 com uma capacidade limitada de 500 mAh g−1.

Principais benefícios das baterias de lítio-CO₂ para energia limpa

As baterias de lítio-CO2 trazem muitos benefícios ao mercado. Por um lado, elas oferecem aos usuários uma alternativa limpa às baterias de íons de lítio, que continuam a abastecer aterros sanitários. Essa nova abordagem reduz o desperdício e as emissões de gases de efeito estufa ao mesmo tempo, abrindo caminho para que a indústria de baterias faça melhorias significativas e, ao mesmo tempo, reduza a poluição.

Maior capacidade

O relatório mostra que as baterias de lítio-CO2 podem oferecer maior capacidade do que suas antecessoras. Além disso, elas têm um sobrepotencial muito menor, o que significa que consomem muito menos energia para carregar. A abordagem de carregamento menos intenso estende a vida útil da bateria sem reduzir seu desempenho.

Baterias de lítio-CO2 são mais acessíveis.

Outro motivo pelo qual fabricantes e consumidores de baterias podem ver um aumento repentino nas opções de Lítio-CO2 é que elas oferecem um processo de fabricação mais acessível. Quando se combinam os custos reduzidos de fabricação com as emissões mais baixas, a alternativa de Lítio-CO2 parece uma maneira prática de armazenar energia limpa.

Baterias de lítio-CO2 são mais escaláveis

Os pesquisadores garantiram que seu trabalho pudesse ser ampliado para atender às necessidades da comunidade. Há uma demanda enorme por opções de energia limpa para alimentar dispositivos portáteis. Os engenheiros veem o desenvolvimento desta bateria como uma atualização para redução de custos, com o benefício adicional de reter CO2, um gás de efeito estufa prejudicial.

Baterias de lítio-CO2 são mais eficientes.

A eficiência é outro benefício das baterias de lítio-CO2 em comparação com outras soluções de bateria. Essas fontes de alimentação de última geração serão capazes de operar com eficiência em uma ampla gama de casos de uso. As unidades oferecem maior capacidade de energia e podem ser ampliadas para garantir que sejam adequadas à aplicação.

Sem metais de terras raras

Metais de terras raras são um recurso limitado cujo valor continua a crescer. Já existem tarifas elevadas e outras legislações em vigor para tentar proteger o acesso a metais de terras raras pelas superpotências mundiais. A decisão do engenheiro de eliminar a necessidade desses minerais no projeto da bateria pode ser um dos principais motivos do sucesso dessa tecnologia.

Aplicações reais de baterias de lítio-CO₂ e quando esperá-las

Existem muitas aplicações para baterias mais ecológicas. O mundo precisa de alternativas limpas que possam alimentar o crescente número de sistemas sem fio em uso diário. O lítio-CO2 poderá um dia alimentar sua casa, seu carro e seus dispositivos, ajudando a reduzir os gases nocivos do efeito estufa.

Viagem ao espaço

A viagem espacial é outra aplicação para essa tecnologia. À medida que os cientistas continuam a pensar em maneiras de apoiar a exploração do espaço profundo e de outros mundos, novas opções de energia precisam ser pesquisadas. Este desenvolvimento mais recente tem algumas vantagens importantes: pode operar em planetas distantes como Marte, devido à sua atmosfera ser composta por 95% de CO₂.

Linha do tempo das baterias de lítio-CO2

Pode levar cerca de 5 anos até que as baterias de CO2 cheguem aos consumidores. A tecnologia já existe, mas a equipe ainda precisa descobrir a melhor abordagem para levar sua invenção ao mercado. Notavelmente, a crescente demanda pelo cumprimento das obrigações de carbono líquido zero pode impulsionar esse cronograma e ajudar a tornar a integração de opções de lítio-CO2 uma prioridade.

Pesquisadores de baterias de lítio-CO2

O estudo sobre baterias de lítio-CO2 foi organizado pela Escola de Química e Engenharia Química de Surrey e pelo Instituto de Tecnologia Avançada. O artigo inovador lista Siddharth Gadkari e Daniel Commandeur como coautores do estudo. Eles receberam apoio de Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai e Robert CT Slade.

O futuro das baterias de lítio-CO2

A equipe busca se aprofundar em outros materiais e na forma como esses catalisadores interagem com eletrodos e eletrólitos. Eles também querem explorar mais a fundo o polioxometalato do tipo Keggin como um catalisador redox bifuncional. Essas etapas podem ajudar a aprimorar aspectos importantes do projeto, incluindo o ciclo reversível de baterias recarregáveis ​​de Li-CO2.

Investindo no Setor de Baterias

Existem diversas empresas atuando no mercado de baterias. Essas empresas abrangem desde fabricantes renomados de primeira linha até alternativas de baixo custo e até mesmo imitações. A demanda por baterias de qualidade continua alta. Aqui está um fabricante de baterias que continua posicionado para o sucesso e pode integrar baterias de lítio-CO1 em seus produtos no futuro.

Poder Sólido

Poder Sólido (SLDP ) entrou no mercado em 2011 e tem sede no Colorado. O objetivo da empresa é criar alternativas de baterias de estado sólido de alto desempenho. Desde o seu lançamento, a Solid Power tem obtido considerável apoio e crescimento no mercado. Esse crescimento se deve principalmente ao seu espírito inovador e aos seus produtos exclusivos que substituem eletrólitos líquidos por opções sólidas de sulfeto. Essa abordagem reduziu o risco de incêndio ou fuga térmica.

A Solid Power possui diversas parcerias estratégicas com fabricantes de veículos elétricos. Essas parcerias visam impulsionar a inovação e ajudar o mercado a encontrar uma alternativa mais segura e eficiente. Atualmente, a empresa mantém acordos com diversos fabricantes de diversos setores, incluindo os setores médico e de manufatura.

Aqueles que buscam ações sólidas de baterias com potencial de crescimento devem considerar pesquisar mais sobre a SLDP. As parcerias e os produtos da empresa entusiasmam muitos analistas. Além disso, há uma demanda crescente por seus serviços, o que pode se correlacionar com a valorização das ações nas próximas semanas.

Últimas notícias e desenvolvimentos sobre ações da Solid Power (SLDP)

Baterias de lítio-CO2 – Energia limpa para levar

Baterias de lítio-CO2 podem ajudar engenheiros a eliminar os riscos de incêndio e os danos causados ​​pela dissipação térmica das baterias de íons de lítio. Essas unidades estão por toda parte, e substituí-las por uma alternativa mais segura e eficiente poderia ajudar uma grande parcela da população. Consequentemente, fabricantes e engenheiros continuam investindo tempo, dinheiro e esforço no aprimoramento das baterias atuais. Felizmente, este produto mais recente maximiza seus esforços, juntamente com a produção de energia limpa.

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Estudos referenciados:

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). Potencial ultrabaixo em baterias recarregáveis ​​de Li-CO₂ habilitado pelo fosfomolibdato de césio como um catalisador redox eficaz. Ciência Avançada, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}