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Bateria de zinco supera rivais e empata com bateria de lítio

Bateria de zinco supera rivais e empata com bateria de lítio
Esquema da bateria de zinco (esquerda) e foto dos nanofios de níquel e cobalto (direita), medindo 100 nanômetros de comprimento por 3,5 nanômetros de espessura, que foram cruciais para o sucesso da tecnologia. [Imagem: Bing Li et al. - 10.1021/acs.nanolett.6b03691]

Baterias de zinco

Pela primeira vez, as baratas e promissoras baterias de zinco passaram pela linha de chegada bem ao lado das baterias de lítio.

As baterias à base de zinco oferecem algumas vantagens fundamentais em relação às de íons de lítio, incluindo o baixo custo e o fato de que não pegam fogo e nem explodem. Quilo por quilo, as baterias de zinco-ar podem potencialmente armazenar cinco vezes mais energia do que as de íons de lítio, enquanto as baterias de zinco-níquel produzem tensões relativamente altas, o que é útil porque são necessárias poucas células para alimentar um dispositivo.

No entanto, as baterias de zinco também tendem a perder sua capacidade de armazenamento de energia após apenas algumas centenas de ciclos de recarga, e nenhuma bateria de zinco até agora havia combinado uma tensão decente - 1,5 volt ou mais por célula - e uma alta capacidade de armazenamento de energia.

Bateria híbrida de zinco

Essas limitações agora foram superadas por uma equipe do Instituto A*STAR de Cingapura, que desenvolveu uma bateria de zinco híbrida que combina o melhor das duas tecnologias - zinco-ar e zinco-níquel. O protótipo completou mais de 5.000 ciclos de carga sem perda de desempenho - tipicamente se considera que uma bateria é estável a partir de 1.000 ciclos de carga e recarga.

A bateria possui um ânodo de zinco, enquanto o seu cátodo é baseado em uma espuma de níquel revestida de carbono e recoberta com nanofios de óxido de níquel e cobalto. O eletrólito líquido entre os eletrodos contém ânions hidróxido dissolvidos em água.

Uma razão chave para o excelente desempenho da bateria híbrida é que o cátodo funciona de duas formas distintas no processo de carregamento e no processo de consumo da eletricidade. Quando a bateria é carregada, os íons hidróxido do eletrólito reagem com os óxidos metálicos no cátodo para produzir compostos de oxi-hidróxido, liberando elétrons. Mas os metais no cátodo também funcionam como catalisadores, combinando ânions hidróxido para produzir oxigênio, água e mais elétrons. Esses elétrons circulam até o ânodo, onde se combinam com íons de zinco no eletrólito para produzir zinco metálico. Durante a descarga, esses processos eletroquímicos são revertidos.

Concorrente para o lítio

A bateria possui uma tensão de descarga estável em dois estágios entre 1,75 e 1,0 volt, e manteve seu desempenho ao longo de três meses de testes contínuos, superando todas as baterias anteriores de zinco.

Os dois processos químicos no cátodo produzem diferentes tensões, o que pode ser uma vantagem para aplicações que exigem inicialmente uma tensão mais alta, como carros elétricos ou drones, que precisam de um impulso de energia para a arrancada ou para decolar e, em seguida, uma tensão menor para sustentar o movimento.

As estimativas indicam que a bateria pode armazenar cerca de 270 watts-hora por quilograma, com potencial de melhoria, de acordo com a equipe.

"Isso já está a par com as baterias de íons de lítio disponíveis no mercado," disse o professor Yun Zong.

Bibliografia:

A Robust Hybrid Zn-Battery with Ultralong Cycle Life
Bing Li, Junye Quan, Adeline Loh, Jianwei Chai, Ye Chen, Chaoliang Tan, Xiaoming Ge, T. S. Andy Hor, Zhaolin Liu, Hua Zhang, Yun Zong
Nano Letters
Vol.: 17 (1), pp 156-163
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03691




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