Estudos sobre materiais para baterias de enxofre abrem possibilidades de otimização da tecnologia
Elemento é abundante no planeta e está amplamente disponível como resíduo de processos industriais, podendo ser obtido sem a necessidade de mineração
O pesquisador Murilo Machado Amaral: baterias conseguem armazenar muito mais energia do que as de íons de lítio no mesmo volume (foto: CINE/divulgação)
Um conjunto de pesquisas recentemente publicadas traz importantes avanços para superar limitações das baterias de lítio-enxofre, tecnologia emergente que apresenta vantagens em termos de custos, capacidade e sustentabilidade com relação à tecnologia de íons de lítio, que domina hoje o mercado das baterias recarregáveis.
As baterias de lítio-enxofre são geralmente formadas por um eletrodo positivo (cátodo) baseado em enxofre, um eletrodo negativo (ânodo) de lítio metálico e um eletrólito entre eles. A sua operação de carga e descarga – ou seja, de armazenamento e entrega de energia – se baseia em reações eletroquímicas que ocorrem entre o enxofre e os íons de lítio.
Uma das grandes vantagens da tecnologia é que o principal elemento ativo, o enxofre, é abundante no planeta e está amplamente disponível como resíduo de processos industriais, podendo ser obtido sem precisar minerá-lo.
Além disso, essas baterias conseguem armazenar muito mais energia do que as de íons de lítio no mesmo volume. “As baterias de lítio-enxofre apresentam uma densidade de energia teórica de 2.600 Wh kg-1. Os valores práticos obtidos são menores, mas permanecem superiores aos das baterias de lítio-íon convencionais”, explica Murilo Machado Amaral, que desenvolveu pesquisas sobre essa tecnologia emergente durante seu doutorado na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), no contexto do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), e atualmente faz pós-doutorado na Universidade de São Paulo (USP), também na área de baterias.
Limitações
Contudo, as baterias de lítio-enxofre ainda apresentam limitações que impedem a sua ampla comercialização. Uma das principais é a perda acelerada e irreversível de capacidade que esses dispositivos sofrem em cada ciclo de carga e descarga, levando à piora do seu desempenho e à diminuição da sua vida útil.
O problema se origina na interação de polissulfetos solúveis com o ânodo. Esses compostos, que se formam durante reações eletroquímicas que acontecem normalmente nas baterias de lítio-enxofre, podem migrar do cátodo para o ânodo. “Ali, eles reagem com o lítio metálico, formando compostos insolúveis que podem passivar na superfície do ânodo, resultando em perda irreversível de material ativo e afetando a vida útil da bateria”, explica Amaral.
Para resolver o problema, uma das possibilidades é utilizar, no cátodo, um material que hospede o enxofre, aumente a sua condutividade e, ao mesmo tempo, iniba a migração dos polissulfetos solúveis para o lítio metálico.
Desenvolver materiais desse tipo foi um dos desafios do doutorado de Amaral, realizado sob orientação de Hudson Zanin, que é professor da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Unicamp e coordena o Programa de Armazenamento Avançado de Energia no CINE.
“Essa pesquisa gerou dois artigos científicos publicados na revista Batteries & Supercaps, que investigaram a aplicação de materiais cerâmicos derivados de precursores poliméricos como hospedeiros de enxofre em baterias de lítio-enxofre”, conta Amaral. Os estudos foram realizados em colaboração entre grupos da Unicamp, da Kansas State University e do SLAC National Accelerator Laboratory, operado pela Stanford University. Além disso, um desses trabalhos teve a colaboração de um cientista do centro de pesquisa espanhol CIC energiGUNE.
Especificamente, os trabalhos estudaram a incorporação de titânio em oxicarbeto de silício e a adição de boro em carbonitreto de silício. Ambos os materiais obtidos demonstraram um bom funcionamento como hospedeiros do enxofre no cátodo das baterias ao reter os polissulfetos. Dessa forma, os materiais promoveram estabilidade nas baterias e melhoraram seu desempenho.
Os estudos agregaram a experiência em dispositivos de armazenamento de energia do grupo do CINE, liderado pelo professor Zanin, a expertise em síntese de materiais cerâmicos para esses dispositivos dos pesquisadores da Kansas State University, liderados pelo professor Gurpreet Singh, e o conhecimento da coordenadora de pesquisa do SLAC National Accelerator Laboratory, Johanna Nelson Weker, na caracterização de baterias por técnicas de raios X utilizando radiação síncrotron.
A colaboração incluiu viagens de Amaral aos Estados Unidos para realizar dois estágios científicos. No primeiro, foram feitos a síntese de materiais cerâmicos e os primeiros testes eletroquímicos na Kansas State University. No segundo, foram realizados os principais experimentos de caracterização no SLAC National Accelerator Laboratory. Ambos os estágios ocorreram durante o doutorado de Amaral, com financiamento da FAPESP.
Segundo desafio
Além dos artigos sobre o desempenho de materiais cerâmicos como hospedeiros de enxofre em baterias de lítio-enxofre, o doutorado de Amaral gerou uma publicação numa revista de alto fator de impacto, a Advanced Science, sobre outro problema que afeta o desempenho dessas baterias: a instabilidade da camada de interface cátodo-eletrólito, cuja formação e estabilidade são essenciais para tais dispositivos.
O estudo investigou a formação dessa camada utilizando a técnica de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier in situ. “Dessa forma, foi possível monitorar diretamente a formação e a estabilidade dessa camada, que atua como condutor iônico e isolante eletrônico nas baterias”, diz Murilo.
Além de envolver a colaboração dos grupos dos professores Zanin, Singh e Weker, o trabalho sobre a camada cátodo-eletrólito contou com a valiosa participação de outros pesquisadores do CINE. As medidas de espectroscopia foram realizadas utilizando uma célula espectroeletroquímica previamente desenvolvida e patenteada pelo grupo do professor Gustavo Doubek, da Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da Unicamp. Por sua vez, o professor Pablo Fernandez, do Instituto de Química (IQ) da mesma universidade, forneceu a sua expertise nesse tipo de experimento. Também participaram do trabalho pesquisadores da Universidade Federal de Mato Grosso que fazem parte do CINE.
O CINE é um Centro de Pesquisa Aplicada (CPA) constituído pela FAPESP e pela Shell em 2018 e sediado na Unicamp, na USP e na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), com a participação de outras oito instituições brasileiras.
Os trabalhos também contaram com apoio da FAPESP por meio dos projetos 14/02163-7, 17/11958-1, 23/11417-1 e 23/11416-5.
O artigo Titanium-modified silicon oxycarbide as an efficient sulfur host for lithium-sulfur batteries pode ser lido em: chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/batt.202500774.
O artigo Boron-modified silicon carbonitride as a sulfur host for stable lithium-sulfur batteries pode ser lido em: chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/batt.70395.
O artigo Unveiling the formation and evolution of the cathode-electrolyte interphase in lithium-sulfur batteries pode ser lido em: advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202518282.
Fonte: Agência FAPESP - Com informações de Verónica Savignano, do CINE.
