Baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas em veículos elétricos e smartphones porque são leves, confiáveis e energeticamente eficientes. No entanto, elas têm tempos de carregamento lentos e não conseguem lidar com altos picos de corrente. Em uma pesquisa recente, a equipe da Cornell Engineering desenvolveu uma bateria de lítio para veículos elétricos que pode ser totalmente carregada em 5 minutos. O protótipo de uma dessas baterias de carregamento rápido.
A equipe de engenharia da Universidade Cornell desenvolveu uma nova bateria de lítio. Ela carrega em menos de 5 minutos , mais rápido do que qualquer outra bateria disponível. Além disso, mantém um desempenho estável durante os ciclos de carga e descarga ao longo de um período prolongado. Essa descoberta recente pode aliviar a ansiedade dos motoristas em relação à autonomia. Suas preocupações com a autonomia limitada dos veículos elétricos e o inconveniente dos longos tempos de recarga seriam reduzidas.
Os pesquisadores descobriram que o índio, um metal macio comumente usado em telas sensíveis ao toque e painéis solares, tem um potencial excepcionalmente alto como material para baterias de carregamento rápido. Isso se deve às suas taxas de transporte de estado sólido inerentemente rápidas e aos baixos números de Damköhler. Além disso, o índio serve como uma ótima alternativa ao chumbo em soldas de baixa temperatura.
O professor Lynden Archer , reitor da Faculdade de Engenharia de Cornell e chefe do projeto, afirmou: "A ansiedade em relação à autonomia é uma barreira maior para a eletrificação no transporte do que qualquer outra barreira, como o custo e a capacidade das baterias, e identificamos um caminho para eliminá-la usando projetos racionais de eletrodos."
O professor Archer acrescentou ainda: "Se você consegue carregar a bateria de um veículo elétrico em cinco minutos, quer dizer, nossa, você não precisa de uma bateria grande o suficiente para uma autonomia de 300 quilômetros. Você pode se contentar com menos, o que poderia reduzir o custo dos veículos elétricos, permitindo uma adoção mais ampla."
O autor principal do estudo, Shuo Jin , doutorando em engenharia química e biomolecular, afirmou: “Nosso objetivo era criar designs de eletrodos de bateria que carregassem e descarregassem de maneiras que se adequassem à rotina diária. Em termos práticos, desejamos que nossos dispositivos eletrônicos carreguem rapidamente e funcionem por longos períodos. Para atingir esse objetivo, identificamos um material de ânodo de índio exclusivo que pode ser combinado de forma eficaz com vários materiais de cátodo para criar uma bateria que carrega rapidamente e descarrega lentamente .”
O Processo
Os pesquisadores adotaram uma abordagem singular para sua nova bateria de lítio, enfatizando a cinética das reações eletroquímicas. Especificamente, empregaram um conceito da engenharia química conhecido como número de Damköhler . Esse conceito quantifica, essencialmente, a velocidade com que as reações químicas ocorrem em comparação com o transporte de materiais até o local da reação.
As últimas pesquisas revelam que o índio possui duas características cruciais como ânodo de bateria. Elas são as seguintes:
- Um excepcionalmente baixa barreira energética de migração, que determina a velocidade com que os íons se difundem no estado sólido
- A densidade de corrente de troca moderada, o que afeta a taxa na qual os íons são reduzidos no ânodo.
A sinergia dessas características, difusão rápida e cinética de reação de superfície lenta, é essencial para carregamento rápido e armazenamento prolongado.
O professor Archer afirmou: “A principal inovação é que descobrimos um princípio de design que permite que os íons metálicos no ânodo da bateria se movam livremente, encontrem a configuração correta e só então participem da reação de armazenamento de carga. O resultado final é que, em cada ciclo de carga, o eletrodo se encontra em um estado morfológico estável. É exatamente isso que confere às nossas novas baterias de carregamento rápido a capacidade de serem carregadas e descarregadas repetidamente ao longo de milhares de ciclos.”
A bateria de lítio para veículos elétricos, que pode ser totalmente carregada em 5 minutos, utiliza essa tecnologia em combinação com o carregamento por indução sem fio em vias públicas. Isso pode reduzir significativamente o tamanho e o custo das baterias , tornando o transporte elétrico uma opção mais viável para os motoristas. No entanto, isso não significa que os ânodos de índio sejam perfeitos ou práticos.
“Embora este resultado seja empolgante, pois nos ensina como chegar a baterias de carregamento rápido, o índio é pesado. Aí reside uma oportunidade para a modelagem computacional em química, talvez usando ferramentas de IA generativa, para aprender quais outras composições químicas de materiais leves poderiam atingir os mesmos números de Damköhler intrinsecamente baixos. Por exemplo, existem ligas metálicas que nunca estudamos e que possuem as características desejadas? É daí que vem minha satisfação: de haver um princípio geral em ação que permite a qualquer pessoa projetar um ânodo de bateria melhor, capaz de atingir taxas de carregamento mais rápidas do que a tecnologia de ponta”, acrescentou o Prof. Archer.
Fonte : Bateria de lítio de carregamento rápido busca eliminar a "ansiedade de autonomia"
