{"id":8295,"date":"2020-01-31T14:49:36","date_gmt":"2020-01-31T17:49:36","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/?p=8295"},"modified":"2020-02-07T18:02:59","modified_gmt":"2020-02-07T21:02:59","slug":"artigo-em-destaque-eletrolito-solido-para-baterias-mais-seguras-e-rapidas-de-carregar","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/artigo-em-destaque-eletrolito-solido-para-baterias-mais-seguras-e-rapidas-de-carregar\/","title":{"rendered":"Artigo em destaque: Eletr\u00f3lito s\u00f3lido para baterias mais seguras e r\u00e1pidas de carregar."},"content":{"rendered":"

O artigo cient\u00edfico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste m\u00eas \u00e9: Controlling the Activation Energy for Single-Ion Diffusion through a Hybrid Polyelectrolyte Matrix by Manipulating the Central Coordinate Semimetal Atom.\u00a0<\/strong>Victoria C. Ferrari, Raphael S. Alvim, Thiago B. de Queiroz, Gustavo M. Dalpian, Flavio L. Souza. J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 24, 7684-7689.\u00a0https:\/\/doi.org\/10.1021\/acs.jpclett.9b02928.<\/p>\n

Eletr\u00f3lito s\u00f3lido para baterias mais seguras e r\u00e1pidas de carregar<\/strong><\/p>\n

\"boxNossos celulares, laptops e tablets, assim como os carros el\u00e9tricos que come\u00e7am a transitar pelo planeta Terra, n\u00e3o existiriam sem as baterias recarreg\u00e1veis de \u00edons de l\u00edtio. Esses dispositivos foram objeto do Pr\u00eamio Nobel de Qu\u00edmica de 2019, que reconheceu os trabalhos feitos nos Estados Unidos, Reino Unido e Jap\u00e3o por tr\u00eas cientistas nas d\u00e9cadas de 1970 e 80, voltados principalmente ao desenvolvimento dos materiais que comp\u00f5em os eletrodos dessas baterias.<\/p>\n

Entretanto, ainda existem desafios para continuar melhorando o desempenho e seguran\u00e7a das baterias de \u00edon de l\u00edtio e para adequar essa tecnologia a novas aplica\u00e7\u00f5es. Um desses desafios se refere ao desenvolvimento de materiais s\u00f3lidos para o eletr\u00f3lito dessas baterias, como alternativa aos materiais l\u00edquidos ou em forma de gel que predominam atualmente, os quais apresentam um maior risco de provocar acidentes, como as explos\u00f5es de smartphones que t\u00eam sido amplamente difundidas na m\u00eddia. Localizado no meio dos eletrodos, o eletr\u00f3lito tem a importante fun\u00e7\u00e3o de promover o deslocamento dos \u00edons de l\u00edtio (apenas eles, e n\u00e3o os el\u00e9trons) em suas idas e voltas entre os eletrodos. Por esse motivo, o material do eletr\u00f3lito deve ser um bom condutor i\u00f4nico \u2013 condi\u00e7\u00e3o que pode ser mais dif\u00edcil de se alcan\u00e7ar em materiais s\u00f3lidos.<\/p>\n

Em um artigo recentemente publicado em\u00a0The Journal of Physical Chemistry Letters<\/em>\u00a0(fator de impacto= 7.329), uma equipe cient\u00edfica brasileira apresentou um importante avan\u00e7o no desenvolvimento de materiais s\u00f3lidos para eletr\u00f3litos que podem ser usados em baterias de \u00edon-l\u00edtio e outros dispositivos eletroqu\u00edmicos (aqueles que produzem eletricidade a partir de rea\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas e vice-versa) e eletrocr\u00f4micos (aqueles em que ocorre uma mudan\u00e7a de cor \u00a0ou opacidade quando se aplica uma voltagem em um material, como as janelas inteligentes). Utilizando um m\u00e9todo de fabrica\u00e7\u00e3o simples e econ\u00f4mico, que pode ser levado \u00e0 escala industrial (o sol-gel hidrol\u00edtico), os pesquisadores produziram um material s\u00f3lido de base polim\u00e9rica que demonstrou um desempenho excepcionalmente bom como condutor i\u00f4nico. \u201cO baixo valor de energia necess\u00e1ria para ativar o movimento do \u00edon neste material e seu alto valor de condutividade i\u00f4nica em temperatura ambiente poder\u00e3o reduzir drasticamente o tempo de carregamento das baterias\u201d, detalha o professor Flavio Leandro de Souza<\/a>, professor da Universidade Federal do ABC (UFABC)\u00a0e\u00a0l\u00edder do trabalho.<\/p>\n

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Foto do eletr\u00f3lito s\u00f3lido polim\u00e9rico com germ\u00e2nio na sua forma final, transparente e flex\u00edvel.<\/figcaption><\/figure>\n

Este eletr\u00f3lito brasileiro \u00e9 um filme leve e flex\u00edvel da fam\u00edlia do polietileno, de aspecto muito similar ao material dos filmes e sacolas transparentes de polietileno que usamos no dia-a-dia. \u201cDo ponto de vista est\u00e9tico, esse material pode proporcionar dispositivos mais leves e com diferentes formas\u201d, comenta o professor Souza. \u201cNo aspecto da seguran\u00e7a, traz melhora sem precedente, pois n\u00e3o cont\u00e9m materiais t\u00f3xicos na composi\u00e7\u00e3o e, por estar no estado s\u00f3lido, n\u00e3o tem risco de vazamento em caso de quebra ou fratura, evitando inclusive explos\u00f5es usualmente observadas nos dias atuais, causando a proibi\u00e7\u00e3o de embarque dos mais variados dispositivos\u201d.<\/p>\n

O segredo do bom desempenho desse eletr\u00f3lito reside na presen\u00e7a de um \u00e1tomo de germ\u00e2nio no centro da estrutura polim\u00e9rica, chamado de \u201c\u00e1tomo de coordena\u00e7\u00e3o\u201d. De fato, esse \u00e1tomo met\u00e1lico modifica a cadeia polim\u00e9rica, diminuindo suas vibra\u00e7\u00f5es espont\u00e2neas e atacando assim a principal desvantagem dos pol\u00edmeros enquanto condutores i\u00f4nicos: o acoplamento do movimento do \u00edon de l\u00edtio ao movimento da cadeia polim\u00e9rica.<\/p>\n

In\u00edcio da hist\u00f3ria: um experimento fora dos planos<\/strong><\/p>\n

A ideia inicial do trabalho se remonta aos anos 2001 a 2006, quando Flavio Souza era estudante do mestrado e doutorado em Ci\u00eancia e Engenharia dos Materiais da UFSCar. Nesse per\u00edodo, sob orienta\u00e7\u00e3o do professor Edson Leite<\/a>, Souza estava tentando produzir uma matriz de sil\u00edcio com nanopart\u00edculas met\u00e1licas, mediante um processo que tinha como etapa intermedi\u00e1ria a forma\u00e7\u00e3o de um pol\u00edmero, cujo destino final era a queima em um forno comum. Quando Souza observou o pol\u00edmero s\u00f3lido, transparente e de f\u00e1cil manipula\u00e7\u00e3o que tinha se formado, decidiu, por pura curiosidade, resgatar o material e submet\u00ea-lo a caracteriza\u00e7\u00e3o el\u00e9trica para conferir se conduzia n\u00edquel. \u201cNada aconteceu, mas mostrei ao meu orientador, que sugeriu a troca do n\u00edquel por um sal de l\u00edtio. Para minha surpresa, esse material conduziu; foi ent\u00e3o que tudo come\u00e7ou\u201d, relata o cientista. Esse primeiro material, um pol\u00edmero que continha um \u00e1tomo de sil\u00edcio no centro da sua estrutura, permitia que os \u00edons de l\u00edtio se deslocassem pela sua estrutura sem grande interfer\u00eancia dos movimentos da cadeia polim\u00e9rica, e por isso foi classificado como um condutor r\u00e1pido de \u00edons.<\/p>\n

Anos mais tarde, j\u00e1 como professor da UFABC e coordenador do Laborat\u00f3rio de Energia Alternativa e Nanomateriais, Souza resolveu retomar esse assunto e propor um desafio para uma jovem estudante de Engenharia de Energia, Vict\u00f3ria Castagna Ferrari<\/a>, que o procurara para fazer inicia\u00e7\u00e3o cient\u00edfica. \u201cO desafio proposto e topado foi de tentar melhorar ainda mais esse tipo de material para aplica\u00e7\u00e3o em baterias de \u00edons de l\u00edtio e janelas eletrocr\u00f4micas e responder algumas perguntas de cunho cient\u00edfico\u201d, conta o professor Souza. \u201cA Vict\u00f3ria, uma estudante brilhante, rapidamente mostrou que conseguiria levar esse desafio para um n\u00edvel muito alto\u201d, diz ele.<\/p>\n

O trabalho se desenvolveu ao longo de dois anos de inicia\u00e7\u00e3o cient\u00edfica de Vict\u00f3ria como bolsista da UFABC e mais dois anos como mestranda em Nanoci\u00eancia e Materiais Avan\u00e7ados com bolsa da CAPES, sempre sob orienta\u00e7\u00e3o do professor Souza.<\/p>\n

Durante esse per\u00edodo, Souza e sua aluna quiseram responder a uma s\u00e9rie de perguntas cient\u00edficas. Para isso, utilizaram diversas t\u00e9cnicas experimentais e te\u00f3ricas e contaram com a colabora\u00e7\u00e3o de outros pesquisadores da UFABC: o professor Thiago Branquinho de Queiroz<\/a> nos experimentos de resson\u00e2ncia magn\u00e9tica nuclear de estado s\u00f3lido, e o professor Gustavo Martini Dalpian<\/a>\u00a0junto ao bolsista de p\u00f3s-doutorado Raphael da Silva Alvim<\/a> nas simula\u00e7\u00f5es computacionais.<\/p>\n

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Os autores do artigo. A partir da esquerda: Victoria Ferrari, Raphael Alvim, Thiago de Queiroz, Gustavo Dalpian e Flavio Souza.<\/figcaption><\/figure>\n

Inicialmente, a equipe pesquisou se a substitui\u00e7\u00e3o do \u00e1tomo de sil\u00edcio por outro elemento (no caso, o germ\u00e2nio) influiria na mobilidade de \u00edons de l\u00edtio no material. Os resultados foram excepcionais. \u201cEssa substitui\u00e7\u00e3o elevou a condutividade em duas ordens de grandeza e reduziu em 50% a energia de ativa\u00e7\u00e3o\u201d, diz Souza. De fato, os experimentos mostraram que a energia necess\u00e1ria para colocar o \u00edon de l\u00edtio em movimento era, no pol\u00edmero com sil\u00edcio, de 0,27 eV (el\u00e9tron-volts) e no pol\u00edmero com germ\u00e2nio, de 0,12 eV. \u201cEsse\u00a0valor \u00e9 sem d\u00favida o recorde na literatura, como o mais baixo obtido para um eletr\u00f3lito s\u00f3lido polim\u00e9rico\u201d, afirma Souza\u201d. Na literatura cient\u00edfica, contextualiza Souza, o valor oscila entre 1 e 0,5 eV.<\/p>\n

Novos esfor\u00e7os de pesquisa foram ent\u00e3o realizados para entender o motivo pelo qual o germ\u00e2nio tinha tornado o pol\u00edmero um melhor condutor i\u00f4nico. A equipe conseguiu entender em detalhe a estrutura dos pol\u00edmeros coordenados por sil\u00edcio e germ\u00e2nio, o movimento da matriz polim\u00e9rica, o movimento dos \u00edons de l\u00edtio e a intera\u00e7\u00e3o entre ambos. Os experimentos e simula\u00e7\u00f5es confirmaram que a troca do sil\u00edcio pelo germ\u00e2nio n\u00e3o muda o tipo de pol\u00edmero (a ess\u00eancia da estrutura \u00e9 a mesma), mas que ela muda, sim, a estrutura eletr\u00f4nica da cadeia polim\u00e9rica, modificando a localiza\u00e7\u00e3o dos orbitais mais relevantes\u00a0 e reduzindo ainda mais suas vibra\u00e7\u00f5es espont\u00e2neas, o que repercute na intera\u00e7\u00e3o do \u00edon l\u00edtio com a cadeia polim\u00e9rica.<\/p>\n

Este trabalho contou com apoio das ag\u00eancias brasileiras Capes e CNPq (federais) e Fapesp (estadual), e utilizou equipamentos multiusu\u00e1rio da UFABC e do Laborat\u00f3rio Nacional de Computa\u00e7\u00e3o Cient\u00edfica (LNCC).<\/p>\n

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Para compreender em detalhe como funcionam as baterias de \u00edons de l\u00edtio, indicamos este v\u00eddeo em ingl\u00eas:<\/em>
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