Trabalho apresenta análise FTIR em multiescala (nano-micro) aplicada na investigação dos processos químicos de baterias Li-Ar
A crescente demanda por fontes de energias renováveis ressalta também a urgência do desenvolvimento de novos dispositivos de armazenamento de energia. Um exemplo são as baterias metal-ar, que podem ser a chave para armazenamento de energia em larga escala. Este tipo de bateria se apresenta como uma tecnologia promissora para armazenamento de energia de forma comercial, por oferecer cerca de 10 vezes a densidade energética das baterias Li-íon, líderes atuais de mercado.
Baterias de Li-O2 ou Li-Ar, como também são chamadas, operam com um eletrodo de lítio e um eletrodo de ar, separados por uma membrana embebida com eletrólito condutor e contendo íons de Lítio. No eletrodo de ar, durante a etapa de fornecimento de energia, denominada descarga, são formados produtos da redução do oxigênio com o Li+, tais como, Li2O2, Li2O, LiO2, que variam principalmente de acordo com o tipo de eletrólito, composição química e a estrutura do eletrodo de ar. Porém podem ser formados também subprodutos indesejáveis, como carbonatos e hidróxidos de Li quando expostos a uma atmosfera real (ar).
Assim, apesar de ser uma tecnologia promissora para ser aplicada comercialmente, existem diversos desafios a serem superados como sua operação em condições ambientes e a seleção de eletrólito que não promova a formação de subprodutos indesejáveis. Nesse contexto, o entendimento de como o gás carbônico e a umidade presentes na atmosfera afetam os processos químicos da bateria são essenciais. Ademais, compreender a ação do eletrólito durante o processo de operação da bateria leva à construção de dispositivos mais eficientes. Conhecer as reações paralelas que ocorrem na bateria é fundamental para otimizar e desenvolvê-las para que forneçam mais energia e tenham maior tempo de vida útil. Além disso, o desenvolvimento dos eletrodos de ar é outra etapa crítica para aprimorar o desempenho dos dispositivos e a análise em multiescala os eletrodos e as reações que ocorrem na interface eletrodo-eletrólito fornecem informações valiosas nesse processo.
Nessa direção, pesquisadores do Laboratório Avançado de Baterias da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), em parceria com pesquisadores do CNPEM, investigaram a química na superfície de eletrodos de ar à base de carbono ao longo da descarga de baterias. Com análises em multiescala realizadas nas instalações da linha de luz Imbuia de infravermelho da fonte de luz síncrotron Sirius do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), o trabalho [1] foi capa da revista Advanced Energy Materials e ressalta a aplicabilidade da técnica no estudo de baterias.
Utilizando as técnicas micro-FTIR e Nanoespectroscopia de Infravermelho Síncrotron (SINS) foi possível comprovar que as reações químicas estudadas em micro-escala podem ser estendidas para nano-escala em baterias Li-Ar. Os resultados apontaram que a taxa de reação não interfere na composição química dos produtos de descarga, com uma distribuição homogênea dos produtos em nano e microescala. Além disso, devido à elevada sensibilidade e resolução temporal, foi apontada a relevância das técnicas para o entendimento da degradação de eletrólitos em tempo real sob condições de operação da bateria.
Fonte: [1] Thayane C. M. Nepel, Chayene G. Anchieta, Leticia F. Cremasco, Bianca P. Sousa, André N. Miranda, Lorrane C. C. B. Oliveira, Bruno A. B. Francisco, Julia P. de O. Júlio, Francisco C. B. Maia, Raul O. Freitas, Cristiane B. Rodella, Rubens M. Filho e Gustavo Doubek. In Situ Infrared Micro and Nanospectroscopy for Discharge Chemical Composition Investigation of Non-Aqueous Lithium–Air Cells, Advanced Energy Materials 22 (2021) 101884. DOI: 10.1002/aenm.202101884.
