Mais de 1.000 km de autonomia real: esta bateria de lítio e enxofre utiliza cloro para alcançar 477 Wh/kg

Já faz mais de 15 anos que se fala sobre uma química de baterias com grande potencial, as células de lítio e enxofre, que há muito tempo são consideradas uma das alternativas mais promissoras para superar as limitações das baterias atuais. O enxofre é abundante, relativamente barato e possui uma capacidade de armazenamento muito elevada por unidade de massa, mas sua aplicação prática enfrentou vários problemas, especialmente relacionados à sua baixa tensão de funcionamento, à degradação e ao movimento dos compostos de enxofre dentro da bateria.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade Vanderbilt e da Universidade de Maryland, com a colaboração de cientistas de outras instituições americanas, encontrou uma maneira diferente de aproveitar as propriedades do enxofre. O trabalho, publicado na Nature Energy, modifica a reação química habitual para permitir que o enxofre participe de um processo adicional durante a carga e a descarga.

A chave está em algo tão simples de explicar quanto difícil de conseguir na prática: fazer com que cada átomo de enxofre possa trocar um terceiro elétron. Em uma bateria convencional de lítio e enxofre, o enxofre participa de uma reação que envolve dois elétrons. Os pesquisadores introduziram cloro para ampliar essa reação e levar o enxofre a um estado químico adicional.

O resultado é especialmente notável porque não só aumenta a quantidade de carga que o enxofre pode armazenar. A nova reação também funciona a uma tensão superior, permitindo melhorar simultaneamente os dois fatores que determinam a energia que uma bateria pode armazenar: a quantidade de carga e a tensão à qual ela fornece energia.

O terceiro elétron muda as possibilidades do enxofre

Nos testes realizados pela equipe, a nova química conseguiu aumentar em 58% a capacidade específica do enxofre, enquanto a tensão média de funcionamento passou de aproximadamente 2,05 para 2,54 volts. Essa combinação permitiu superar os 1.700 Wh/kg no nível do eletrodo, uma cifra extraordinariamente elevada para uma bateria experimental.

A diferença em relação a uma bateria convencional de lítio e enxofre está na reação adicional que ocorre graças ao cloro. Os pesquisadores conseguiram converter de forma reversível o sulfeto de lítio em diclorureto de dissulfeto por meio de um processo no qual participam três elétrons por átomo de enxofre, em vez dos dois habituais.

Isto é importante porque o enxofre já parte de uma posição interessante em relação a outros materiais utilizados nos eletrodos. Sua abundância e sua alta capacidade específica fizeram com que fosse estudado durante anos como alternativa aos materiais usados atualmente nas baterias de lítio, mas até agora era complicado aproveitar todo o seu potencial sem introduzir novos problemas.

A equipe teve que resolver precisamente um desses problemas antes de poder utilizar o terceiro elétron de forma reversível. O cloro precisava reagir com o enxofre durante a carga, mas sem que o composto resultante pudesse se deslocar pela bateria e acabar reagindo com o eletrodo de lítio metálico.

Para conseguir isso, os pesquisadores recorreram a simulações moleculares que permitiram estudar o comportamento dos íons de lítio e cloreto em diferentes eletrólitos. Com base nesses resultados, desenvolveram um eletrólito líquido iônico rico em cloreto, capaz de manter o cloreto disponível para a reação com o enxofre.

Eles também escolheram uma composição na qual o produto gerado pela reação entre o enxofre e o cloro não se dissolve facilmente. Dessa forma, ele permanece dentro do eletrodo positivo e pode reagir novamente durante a descarga, tornando possível que o processo seja reversível.

Os testes realizados por meio de diferentes técnicas de espectroscopia permitiram confirmar que o enxofre efetivamente atravessa repetidamente esse novo estado químico durante os processos de carga e descarga. Portanto, não se trata apenas de uma estimativa teórica sobre o que o enxofre poderia fazer, mas sim de uma reação que os pesquisadores conseguiram observar e repetir em laboratório.

Mas existe uma diferença importante entre o número impressionante de 1.700 Wh/kg e o que uma bateria completa poderia alcançar. Esse valor refere-se ao nível do eletrodo e não representa a densidade energética de um conjunto pronto para ser instalado em um carro elétrico. Quando os pesquisadores levam em conta outros componentes necessários para construir uma bateria funcional, a estimativa diminui consideravelmente.

Especificamente, a equipe calcula que a tecnologia poderia atingir 477 Wh/kg no nível de todo o conjunto da bateria, aproximadamente 37% a mais do que o sistema convencional de lítio e enxofre utilizado como referência no estudo. Esse número continua sendo uma estimativa baseada no design experimental e não uma bateria comercial que possa ser instalada atualmente em um carro.

Para verificar se a nova química poderia funcionar além das pequenas células normalmente utilizadas nas primeiras fases de pesquisa, os cientistas construíram também uma pequena célula de camada única do tipo bolsa. Após 100 ciclos de carga, ela manteve 78% de sua capacidade inicial.

Esse é um número que permite demonstrar que a reação pode ser repetida, mas que também mostra claramente quanto trabalho ainda resta. A célula experimental utiliza um eletrodo de lítio metálico, quantidades ainda relativamente pequenas de enxofre e uma quantidade de eletrólito maior do que a desejável em uma bateria comercial.

Exatamente aí estará um dos grandes desafios para levar essa química a um carro elétrico. Não basta obter uma alta densidade energética no material ativo. É preciso reduzir a quantidade de eletrólito, aumentar a proporção de materiais ativos, melhorar a durabilidade, controlar as reações secundárias e garantir que todo o sistema possa ser fabricado de forma econômica e em grande escala.

A pesquisa demonstra, no entanto, que o enxofre ainda tem espaço para oferecer mais do que se pensava. Em vez de se limitar a aprimorar as baterias convencionais de lítio e enxofre, os pesquisadores modificaram a própria reação química para aproveitar um elétron adicional e, ao mesmo tempo, elevar sua tensão de funcionamento.

Por enquanto, falar de carros elétricos com baterias capazes de superar os 1.700 Wh/kg seria misturar dois níveis completamente diferentes da pesquisa. Esse valor refere-se ao eletrodo experimental. Os próprios pesquisadores estimam em 477 Wh/kg quando se levam em conta os principais componentes do sistema, e ainda seria preciso superar inúmeros obstáculos antes de se chegar a uma bateria comercial.

Ainda assim, o resultado é interessante para os automóveis, pois uma bateria que conseguisse se aproximar, na prática, de várias centenas de Wh/kg permitiria criar pacotes mais leves para a mesma autonomia, ou aumentar consideravelmente a autonomia sem que o peso do veículo crescesse na mesma proporção. Esse é exatamente um dos motivos pelos quais as baterias de lítio e enxofre estão há tantos anos no foco da pesquisa.

O trabalho publicado na Nature Energy demonstra que o caminho para alcançar isso não precisa passar necessariamente por adicionar mais material ou aprimorar os eletrodos convencionais. Neste caso, a solução consistiu em fazer com que o enxofre participe de uma reação de três elétrons, utilizando cloro e um eletrólito projetado especificamente para controlar o processo.

A tecnologia ainda está em uma fase muito inicial, e os próprios resultados do ciclo da célula tipo bolsa refletem essa situação. Mas o experimento abre um novo caminho nas baterias de lítio e enxofre e, sobretudo, demonstra que ainda existem maneiras de extrair mais energia de um material tão abundante quanto o enxofre.