Esquema da bateria a ar recarregável totalmente sólida e à base de materiais orgânicos.
[Imagem: Makoto Yonenaga et al. - 10.1002/anie.202304366]

Baterias orgânicas

Os eletrodos negativos das baterias normalmente consistem em metais. Mais recentemente, contudo, moléculas orgânicas redox-ativas, como moléculas à base de quinona e amina, têm sido usadas como eletrodos negativos em baterias recarregáveis de metal-ar, com eletrodos positivos redutores de oxigênio.

As baterias metal-ar, ou metal-oxgiênio, são tidas como a solução mais promissora para os veículos elétricos.

Essas baterias apresentam alto desempenho, próximo da capacidade máxima teoricamente possível. Além disso, o uso de moléculas orgânicas redox-ativas em baterias de ar recarregáveis supera os problemas associados aos metais, incluindo a formação de estruturas chamadas dendritos, que afetam o desempenho da bateria e criam problemas de segurança.

Contudo, essas baterias orgânicas também usam eletrólitos líquidos - assim como as baterias metal-ar -, que apresentam grandes preocupações de segurança, como alta resistência elétrica, efeitos de lixiviação e inflamabilidade.

Agora, Makoto Yonenaga e colegas da Universidade Waseda, no Japão, desenvolveram uma bateria de ar recarregável totalmente de estado sólido (SSAB: Solid-State Air Battery).

Esta é a primeira vez que se consegue criar uma bateria a ar baseada em eletrodos orgânicos e eletrólito de polímero sólido.

As baterias a ar, que usam oxigênio do ambiente como material ativo para o eletrodo positivo, são interessantes devido à sua elevada densidade de energia.
[Imagem: Makoto Yonenaga et al. - 10.1002/anie.202304366]

Bateria a ar totalmente sólida

Os pesquisadores escolheram uma substância química chamada DHBQ (2,5-diidroxi-1,4-benzoquinona) e seu polímero PDBM [poli(2,5-diidroxi-1,4-benzoquinona-3,6-metileno)] como materiais ativos para o eletrodo negativo devido às suas reações redox estáveis e reversíveis em condições ácidas. Além disso, eles utilizaram um polímero condutor de prótons chamado Nafion como eletrólito sólido, substituindo assim os eletrólitos líquidos convencionais.

Ao contrário das baterias a ar típicas, que usam um eletrodo negativo metálico e um eletrólito líquido orgânico, a SSAB não se deteriorou na presença de água e oxigênio. Além disso, a substituição da molécula redox-ativa DHBQ por sua contraparte polimérica PDBM formou um eletrodo negativo melhor.

Enquanto a capacidade de descarga por grama da bateria com DHBQ foi de 29,7 mAh, a bateria de PDBM alcançou 176,1 mAh, com uma densidade de corrente constante de 1 mAcm-2.

"Esta tecnologia pode prolongar a vida útil da bateria de pequenos dispositivos eletrônicos, como celulares e, eventualmente, contribuir para a realização de uma sociedade livre de carbono," disse o professor Kenji Miyatake, coordenador da equipe.