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Jun 04, 2024

Cientistas desenvolvem alumínio

Por Universidade de Freiburg, 17 de agosto de 2023 Pesquisadores desenvolveram um material de eletrodo positivo para baterias de íon de alumínio usando um polímero redox orgânico, que mostrou uma capacidade maior do que

Por Universidade de Freiburg17 de agosto de 2023

Os pesquisadores desenvolveram um material de eletrodo positivo para baterias de íons de alumínio usando um polímero redox orgânico, que mostrou uma capacidade superior à do grafite. O material do eletrodo passou com sucesso por 5.000 ciclos de carga, retendo 88% de sua capacidade a 10 C, marcando um avanço significativo no desenvolvimento de baterias de alumínio.

As baterias de íon de alumínio estão emergindo como potenciais sucessoras das baterias tradicionais que dependem de materiais difíceis de obter e difíceis de reciclar, como o lítio. Esta mudança é atribuída à abundância de alumínio na crosta terrestre, à sua reciclabilidade e à sua segurança e relação custo-benefício comparativas em relação ao lítio.

No entanto, o avanço das baterias de iões de alumínio permanece numa fase inicial, uma vez que os investigadores ainda procuram materiais de eléctrodos apropriados que possam proporcionar uma capacidade de armazenamento adequada. Um avanço neste campo foi feito recentemente por uma equipe de pesquisa, liderada pela Profa. Birgit Esser da Universidade de Ulm e pelo Prof. Gauthier Studer. A equipe desenvolveu um material de eletrodo positivo composto por um polímero redox orgânico à base de fenotiazina.

No experimento, baterias de alumínio com esse material de eletrodo armazenaram uma capacidade anteriormente inatingida de 167 miliamperes-hora por grama (mAh/g). O polímero redox orgânico supera assim a capacidade do grafite, que até hoje tem sido usado principalmente como material de eletrodo em baterias. Os resultados foram publicados na revista Energy & Environmental Science.

O material do eletrodo é oxidado durante o carregamento da bateria, absorvendo assim ânions complexos de aluminato. Desta forma, o polímero redox orgânico poli (3-vinil-N-metilfenotiazina) consegue inserir dois ânions [AlCl4] - reversivelmente durante o carregamento. Os pesquisadores usaram o líquido iônico cloreto de etilmetilimidazólio como eletrólito com adição de cloreto de alumínio.

O diagrama esquemático da bateria mostra o processo redox no qual o material do eletrodo é oxidado e os ânions aluminato são depositados. Crédito: Birgit Esser/Universidade de Freiburg

“O estudo das baterias de alumínio é um campo de pesquisa estimulante, com grande potencial para futuros sistemas de armazenamento de energia”, afirma Gauthier Studer. “Nosso foco está no desenvolvimento de novos materiais orgânicos redox-ativos que apresentem alto desempenho e propriedades reversíveis. Ao estudar as propriedades redox da poli (3-vinil-N-metilfenotiazina) em líquido iônico à base de cloroaluminato, fizemos um avanço significativo ao demonstrar pela primeira vez um processo redox reversível de dois elétrons para um material de eletrodo à base de fenotiazina. ”

A poli(3-vinil-N-metilfenotiazina) deposita os ânions [AlCl4]- em potenciais de 0,81 e 1,65 volts e fornece capacidades específicas de até 167 mAh/g. Em contraste, a capacidade de descarga do grafite como material de eletrodo em baterias de alumínio é de 120 mAh/g. Após 5.000 ciclos de carga, a bateria apresentada pela equipa de investigação ainda tem 88 por cento da sua capacidade a 10 C, ou seja, a uma taxa de carga e descarga de 6 minutos. Com uma taxa C mais baixa, ou seja, um tempo de carga e descarga mais longo, a bateria retorna inalterada às suas capacidades originais.

“Com sua alta tensão de descarga e capacidade específica, bem como sua excelente retenção de capacidade em taxas C rápidas, o material do eletrodo representa um grande avanço no desenvolvimento de baterias recarregáveis ​​de alumínio e, portanto, de soluções avançadas e acessíveis de armazenamento de energia”, diz Birgit Esser .

Referência: “Em uma bateria de alumínio de alta capacidade com um polímero redox de fenotiazina de dois elétrons como eletrodo positivo” por Gauthier Studer, Alexei Schmidt, Jan Büttner, Maximilian Schmidt, Anna Fischer, Ingo Krossing e Birgit Esser, 22 de maio de 2023, Energia e Ciência Ambiental.DOI: 10.1039/D3EE00235G

O projeto foi financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) (projeto AMPERE dentro do SPP 2248 – Baterias à base de polímeros, POLiS – EXC 2154, livMatS – EXC 2193), bem como pela Deutsche Bundesstiftung Umwelt, o bwForCluster JUSTUS 2, o Eva Mayr-Stihl-Stiftung (Saltus!) e o Land Baden-Württemberg (bwHCP).