Cientistas do Berkeley Lab confirmam a teoria centenária de baterias de alto desempenho

Um novo estado do elemento de manganês, teorizado pela primeira vez em um artigo em um jornal acadêmico de língua alemã há mais de 90 anos, foi confirmado por um grupo de cientistas nos Estados Unidos. A descoberta pode levar ao desenvolvimento de baterias de alto desempenho, com base na tecnologia de iões de sódio

Cientistas da empresa de tecnologia da Califórnia Natron Energy, anteriormente Alveo Energy, lideraram a pesquisa com contribuições importantes do Lawrence Berkeley National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA e da Universidade de Nova York.

A pesquisa, publicada na revista Nature Communications, enfoca um design não convencional para eletrodos em uma bateria de iões de sódio, fornecida pela Natron Energy. O ânodo da bateria é feito de uma mistura de materiais, que incluem manganês, carbono e nitrogênio; enquanto o cátodo usa cobre, nitrogênio, carbono e ferro.

«A parte muito interessante aqui é que ambos os eletrodos são baseados na química de metais de transição no mesmo tipo de materiais», explica Wanli Yang, cientista da equipe de laboratório de Berkeley. «Geralmente, em baterias de iões de lítio e íons de sódio, o ânodo é baseado em carbono».

Nos testes, a bateria chegou a fornecer 90% de sua energia total em uma descarga de cinco minutos e reteve 95% de sua capacidade inicial após 1.000 ciclos. De acordo com o diretor geral da Natron Energy, Colin Wessells, o custo total da bateria é competitivo com as baterias de chumbo-ácido, com uma pegada ambiental muito reduzida.

O desempenho da bateria é possível graças a um novo estado de manganês recentemente descoberto no ânodo. Este estado, onde o elemento perde um único elétron, é conhecido como um estado «1 mais» ou «monovalente». Embora incomum para os átomos de manganês, a especulação de que eles podem existir neste estado remonta à pesquisa publicada pela primeira vez em 1928.

Buscando confirmar sua existência, os cientistas recorreram a um novo sistema de construção na Fonte de Luz Avançada do Laboratório de Berkeley. O sistema, chamado «dispersão de raios-X inelástica de ressonância in situ» (RIXS), mostrou imediatamente o contraste no comportamento do elétron durante os ciclos de carregamento e descarga.

«Um contraste muito claro aparece imediatamente com RIXS», diz Yang. «Mais tarde, percebemos que o manganês 1-plus se comporta muito semelhante ao estado típico de mais de 2 em outras espectroscopias convencionais», razão pela qual foi difícil detectar por tantas décadas.

«A análise dos resultados do RIXS não só confirma o estado do manganês 1 mais; Também mostra que as circunstâncias especiais que dão origem a este estado tornam mais fácil para os elétrons viajarem no material «, acrescenta Andrew Wray, da Universidade de Nova York. «É provável que este eletrodo de bateria incomum funcione muito bem».

Wessell, da Natron Energy, diz que os protótipos comerciais da bateria já estão na fase de teste e que a empresa planeja promover a tecnologia para aplicações de armazenamento, bem como para a energia de emergência e para alimentar equipamento pesado.

Yang, do laboratório de Berkeley, diz que esta descoberta poderia impulsionar novas inovações no campo dos materiais de eletrodos. «O funcionamento de uma bateria pode promover a aparência de estados químicos atípicos que não existem em nosso pensamento convencional. Essa compreensão básica poderia desencadear outros projetos inovadores e abrir nossos olhos para além da nossa sabedoria convencional sobre materiais de eletrodos «.