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Nov 30, 2023

Usando a combustão para fazer baterias melhores

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Por mais de um século, grande parte do mundo funcionou com a combustão de combustíveis fósseis. Agora, para evitar a ameaça da mudança climática, o sistema de energia está mudando. Notavelmente, os sistemas solar e eólico estão substituindo a combustão de combustíveis fósseis para gerar eletricidade e calor, e as baterias estão substituindo o motor de combustão interna para alimentar veículos. À medida que a transição energética progride, pesquisadores em todo o mundo estão enfrentando os muitos desafios que surgem.

Sili Deng passou sua carreira pensando em combustão. Agora professor assistente no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT e Professor de Desenvolvimento de Carreira da Classe de 1954, Deng lidera um grupo que, entre outras coisas, desenvolve modelos teóricos para ajudar a entender e controlar sistemas de combustão para torná-los mais eficientes e controlar a formação de emissões, incluindo partículas de fuligem.

"Então pensamos, dada a nossa experiência em combustão, qual é a melhor maneira de contribuir para a transição energética?" diz Deng. Ao considerar as possibilidades, ela observa que a combustão se refere apenas ao processo – não ao que está queimando. "Embora geralmente pensemos em combustíveis fósseis quando pensamos em combustão, o termo 'combustão' abrange muitas reações químicas de alta temperatura que envolvem oxigênio e normalmente emitem luz e grandes quantidades de calor", diz ela.

Dada essa definição, ela viu outro papel para o conhecimento que ela e sua equipe desenvolveram: eles poderiam explorar o uso da combustão para produzir materiais para a transição energética. Sob condições cuidadosamente controladas, chamas de combustão podem ser usadas para produzir não fuligem poluente, mas sim materiais valiosos, incluindo alguns que são críticos na fabricação de baterias de íon-lítio.

Melhorando a bateria de íons de lítio reduzindo os custos

A demanda por baterias de íon-lítio deve disparar nas próximas décadas. As baterias serão necessárias para alimentar a crescente frota de carros elétricos e para armazenar a eletricidade produzida pelos sistemas solar e eólico para que possa ser entregue mais tarde quando essas fontes não estiverem gerando. Alguns especialistas projetam que a demanda global por baterias de íon-lítio pode aumentar dez vezes ou mais na próxima década.

Dadas essas projeções, muitos pesquisadores estão procurando maneiras de melhorar a tecnologia da bateria de íon-lítio. Deng e seu grupo não são cientistas de materiais, então eles não se concentram em fazer novos e melhores produtos químicos para baterias. Em vez disso, seu objetivo é encontrar uma maneira de reduzir o alto custo de fabricação de todas essas baterias. E grande parte do custo de fabricação de uma bateria de íon-lítio pode ser atribuída à fabricação de materiais usados ​​para fabricar um de seus dois eletrodos – o cátodo.

Os pesquisadores do MIT começaram sua busca por economia de custos considerando os métodos agora usados ​​para produzir materiais catódicos. As matérias-primas são normalmente sais de vários metais, incluindo o lítio, que fornece íons – as partículas eletricamente carregadas que se movem quando a bateria é carregada e descarregada. A tecnologia de processamento visa produzir minúsculas partículas, cada uma formada por uma mistura desses ingredientes, com os átomos dispostos na estrutura cristalina específica que dará o melhor desempenho na bateria finalizada.

Nas últimas décadas, as empresas fabricaram esses materiais catódicos usando um processo de dois estágios chamado coprecipitação. Na primeira etapa, os sais metálicos — exceto o lítio — são dissolvidos em água e bem misturados dentro de um reator químico. Produtos químicos são adicionados para alterar a acidez (o pH) da mistura, e as partículas compostas pelos sais combinados precipitam da solução. As partículas são então removidas, secas, moídas e passadas por uma peneira.

Uma mudança no pH não fará com que o lítio precipite, por isso é adicionado no segundo estágio. O lítio sólido é moído junto com as partículas desde o primeiro estágio até que os átomos de lítio permeiem as partículas. O material resultante é então aquecido, ou "recozido", para garantir a mistura completa e atingir a estrutura cristalina desejada. Por fim, as partículas passam por um "desaglomerador" que separa as partículas que se juntaram e o material do cátodo emerge.