Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Sydney (UTS), trabalhando com cientistas da Universidade de Manchester, no Reino Unido, desenvolveram uma nova maneira de melhorar a vida útil das baterias de íons de zinco que oferecem uma alternativa à tecnologia de íons de lítio para armazenamento em escala de rede.
A descoberta se concentra no efeito cooperativo de Jahn-Teller, um fenômeno que induz assimetria em íons individuais e redes de estado sólido e são comumente observados em estruturas contendo metais de transição específicos, como cobre e manganês.
A equipe disse que projetou uma “super-rede” bidimensional (2D) de óxido de manganês / grafeno que aciona um mecanismo de deformação único em toda a rede. Essa tensão ajuda o cátodo a resistir à quebra durante ciclos repetidos.
Os pesquisadores disseram que a abordagem aumenta a estabilidade estrutural do material catódico da bateria, permitindo mais de 5.000 ciclos com retenção de capacidade de 165 mAh g−1 a 5 C (1 C = 308 mA g−1) em baterias aquosas de íons de zinco. A equipe disse que o resultado é cerca de 50% mais longo do que as atuais baterias de íons de zinco.
“Nossa abordagem oferece uma estratégia eficaz para aumentar significativamente a vida útil das baterias recarregáveis, introduzindo o efeito Jahn-Teller cooperativo que supera o estresse da inserção de íons nos materiais dos eletrodos”, informaram eles. “O resultado é uma bateria aquosa de íons de zinco de baixo custo que funciona com maior durabilidade e sem os riscos de segurança associados às células de íons de lítio.”
O Prof. Guoxiu Wang, principal e autor correspondente da UTS, afirmou que a pesquisa, publicada na Nature Communications, oferece uma rota prática para tecnologias escaláveis de armazenamento de energia de bateria à base de água.
“Este trabalho demonstra como as heteroestruturas de materiais 2D podem ser projetadas para aplicações escaláveis”, disse ele. “Nossa abordagem mostra que o design de super-rede não é apenas uma novidade em escala de laboratório, mas uma rota viável para melhorar os dispositivos do mundo real, como baterias recarregáveis. Ele destaca como a inovação de materiais 2D pode ser traduzida em tecnologias práticas.”
As baterias de íons de zinco são amplamente vistas como uma alternativa promissora às baterias de íons de lítio para armazenamento estacionário, mas até agora, sua vida útil limitada restringiu o uso no mundo real.
O co-autor correspondente, professor Rahul Nair, da Universidade de Manchester, disse que o estudo da equipe mostra como o controle químico no nível atômico pode superar problemas de desempenho.
“Nossa pesquisa abre uma nova fronteira na engenharia de deformação para materiais 2D”, relatou. “Ao induzir o efeito Jahn-Teller cooperativo, mostramos que é possível ajustar as propriedades magnéticas, mecânicas e ópticas dos materiais de maneiras que antes não eram viáveis.”
Os pesquisadores disseram que também demonstraram que o processo de síntese funciona em escala usando métodos à base de água, sem solventes tóxicos ou temperaturas extremas – um passo à frente para tornar as baterias de íons de zinco mais práticas para a fabricação.
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