Principais coisas a saber:
- Avançando AIB Equipar: As baterias de íon de amônio (AIBs) oferecem uma alternativa mais segura e ecologicamente correta às baterias tradicionais, usando acetato de amônio (NH4Ac), que evita o crescimento dendrítico e aumenta a vida útil da bateria.
- Materiais de ânodo inovadores: Desenvolvimentos recentes em materiais anódicos, como MXenes, explorados por meio de cálculos DFT, mostram desempenho promissor em baixa tensão e alta densidade de energia.
- Comportamento pseudocapacitivo: Os ânodos MXene em AIBs exibem um comportamento pseudocapacitivo único com NH4Ac, alcançando alta capacidade e estabilidade ao longo de 5000 ciclos, um avanço significativo em relação a outros materiais.
- Melhorias apoiadas por pesquisas: Estudos como os de Sun et al. confirmam os benefícios do uso de acetato de amônio, aumentando a segurança e eficácia geral dos AIBs.
Muitos arquiteturas de bateria agora existem enquanto engenheiros e cientistas tentam girar de Baterias de íon-lítio tentar trazer novos sistemas de baterias que tenham altas densidades de energia, possam carregar mais rápido ou sejam mais ecológicos. Nos últimos anos, muitas novas arquiteturas de baterias foram comercializadas após anos de desenvolvimento acadêmico, e outras novas baterias estão começando a ocupar seu lugar no mundo acadêmico.
Uma dessas baterias são as baterias de íon de amônio (AIBs), que usam eletrólitos aquosos, portanto são mais seguras e menos propensas à fuga térmica. Os AIBs têm baixo custo, estabilidade inerente, boas propriedades eletroquímicas e são ecologicamente corretos. Esta é uma área mais recente de pesquisa de baterias em comparação com alguns dos sistemas mais estabelecidos e, embora haja potencial para a criação de baterias mais ecológicas, os AIBs foram prejudicados por desafios no design de ânodos.
O potencial das baterias de amônio
AIBs são pilhas recarregáveis que usam íons de amônio (NH4+) como portadores de carga. Em comparação com os íons metálicos tradicionais - Li+, Na+, K+, Zn2+ e Mg2+ - os íons de amônio têm características de difusão rápida em eletrólitos aquosos (à base de água) devido a terem um raio iônico menor e uma massa molar mais leve. Os íons de amônio também não experimentam crescimento dendrítico – que muitas vezes é responsável pelo curto-circuito da bateria – ao contrário de muitos baterias de íon metálico, portanto, há potencial para criar baterias mais seguras que se degradem mais lentamente. Os eletrólitos de íons de amônio também são mais ecológicos do que os solventes orgânicos usados em baterias de íons metálicos e também são muito mais baratos. Um dos eletrólitos mais comuns é o acetato de amônio (NH4Ac).
Para sublinhar ainda mais os benefícios ambientais e a segurança operacional dos AIBs, estudos recentes, como os de Sun et al., destacam o papel dos eletrólitos de acetato de amônio (NH4Ac) no aumento da estabilidade e capacidade dessas baterias. Ao contrário dos eletrólitos tradicionais, o NH4Ac ajuda a prevenir a formação de dendritos, que costumam ser um grande risco à segurança nas operações com baterias. Esta característica não só melhora a segurança, mas também prolonga significativamente o ciclo de vida da bateria, tornando os AIBs uma opção mais sustentável a longo prazo.
Todas essas características mostram que há muito potencial para os AIBs, especialmente porque essas características são frequentemente vistas como vantagens em relação às baterias de íons metálicos – que se tornaram o padrão comercial hoje. Muito trabalho foi dedicado ao projeto do cátodo dos AIBs e agora podem ser alcançadas altas capacidades específicas. Exemplos de cátodos incluem materiais à base de níquel, à base de manganês e à base de vanádio. No entanto, não foi investido tanto esforço no design do ânodo, e a interação entre o ânodo e o eletrólito é uma área que ainda precisa ser desenvolvida.
Desenvolvimentos em novos materiais anódicos
O ânodo é atualmente o fator limitante para AIBs, pois até o momento não existem muitos materiais anódicos que tenham baixa tensão de trabalho. O desenvolvimento de ânodos AIB limitou-se principalmente a óxidos/sulfetos de metais de transição e polímeros orgânicos. Estes não são materiais ideais porque os compostos de metais de transição tendem a ter capacidades fracas e o ânodo polimérico tem uma alta taxa de dissolução, o que leva a uma fraca estabilidade do ciclo. Isso tornou muitos AIBs desenvolvidos até o momento inviáveis para aplicações práticas.
Apesar dos desafios materiais, novos materiais continuam a ser oferecidos e testados. Uma classe de materiais que tem sido apontada como uma solução potencial é MXenes. MXenes são materiais 2D criados a partir de um material da fase MAX, que possui a fórmula geral Mn+1AXn. Nesta estrutura química, o M é um metal de transição inicial, A é um elemento do grupo 13 ou 14 e X é carbono ou nitrogênio.
Os MXene possuem uma gama de propriedades benéficas para eletrodos. Por exemplo, eles têm excelente condutividade elétrica e alta atividade superficial, e a forma como as camadas se empilham umas sobre as outras é desejável para o armazenamento de íons – especialmente em comparação com outros tipos de nanomateriais. Portanto, os MXenes são vistos como um benefício potencial para os AIBs, e muito trabalho teórico está sendo feito atualmente para ver se vale a pena explorá-los experimentalmente.
O potencial dos MXenes como materiais anódicos eficazes em baterias de íons de amônio é apoiado por cálculos detalhados da Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Conforme ilustrado na Figura 1 abaixo, esses cálculos revelam o baixo potencial de trabalho e o alto comportamento pseudocapacitivo dos materiais MXene, especificamente V2CTx, o que sugere sua adequação para aplicações de alto desempenho em tecnologia de baterias.
a A perspectiva lateral do modelo estrutural para V2CTx MXene é representada. As esferas coloridas em cinza, preto e laranja representam as terminações V, C e T, respectivamente. b c As curvas de potencial eletrostático de média plana para V2CO2 e V2CF2 são mostradas respectivamente. d A curva de potencial eletrostático de média plana para 1T-MoS2 é ilustrada. e É demonstrada a correlação entre a função trabalho e a janela de potencial operacional dos materiais bidimensionais estudados nesta pesquisa.
Ao corroborar a adequação dos MXenes para aplicações AIB, a pesquisa descrita em Natureza das Comunicações por Sun et al. discute as propriedades pseudocapacitivas de V2CTx MXenes quando usados com eletrólitos NH4Ac. Esses materiais não apenas prometem potenciais de trabalho mais baixos, mas também demonstram maior estabilidade e densidade de energia, cruciais para baterias de alto desempenho. A alta atividade superficial inerente dos MXenes aumenta sua eficiência, avançando significativamente a fabricação de ânodos em tecnologias de baterias sustentáveis.
Cálculos DFT sugerem o melhor eletrólito aquoso para ânodos MXene
A teoria do funcional da densidade (DFT) é uma técnica bem estabelecida no campo da teoria e química computacional e é frequentemente usado para modelar e sondar as propriedades de diferentes sistemas de materiais para ver se eles são viáveis para uma aplicação específica (bem como para deduzir sua estrutura). Os cálculos da DFT mostraram que o MXene, V2CTx, tem a janela de potencial de trabalho mais baixa em comparação com outros materiais à base de vanádio, portanto tem potencial para ser um material anódico promissor para AIBs.
Os pesquisadores agora analisaram mais detalhadamente esse ânodo MXene usando uma combinação de cálculos DFT e métodos de caracterização de material físico para ver como ele interage com o eletrólito aquoso e para investigar como seria o desempenho desses ânodos. Os pesquisadores descobriram que este ânodo MXene apresenta um comportamento pseudocapacitivo para armazenamento de íons amônio, com capacidade específica de 115.9 mAh g-1 a 1 A g-1 e retenção de capacidade de 100% após 5000 ciclos a 5 A g-1.
Apesar de muitos eletrólitos aquosos terem sido testados com o ânodo MXene - incluindo (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4 e NH4Me - o único eletrólito onde o ânodo MXene mostrou esse comportamento pseudocapacitivo foi com o eletrólito de acetato de amônio NH4Ac. O desempenho do comportamento pseudocapacitivo exibido entre o ânodo MXene e o eletrólito NH4Ac supera todos os eletrodos do tipo capacitivo em AIBs até o momento.
Para sondar as propriedades do ânodo e sua interação com o eletrólito, no local Foram realizadas medições eletroquímicas de microbalança de cristal de quartzo (EQCM), que mostraram um processo eletroquímico em duas etapas que gera o comportamento de armazenamento pseudocapacitivo no eletrólito de acetato de amônio.
Os resultados experimentais foram acompanhados por cálculos e simulações DFT para melhor compreensão deste processo eletroquímico. A primeira parte do processo envolveu a adsorção/deposição eletrostática de NH4+ na superfície do MXene. Na segunda etapa do processo, ocorre uma reação redox entre os grupos d-V2CTx do ânodo e os grupos [NH4+(HAc)3] do eletrólito. Durante esse processo redox, o íon NH4+ central atua como um pseudopróton, o que facilita a alternância das terminações V2CTx. Isto então altera o estado de valência dos íons vanádio no complexo, promovendo a transferência de carga.
O uso inovador de acetato de amônio em AIBs baseados em MXene não apenas melhora a estabilidade eletroquímica, mas também aumenta a capacidade de armazenamento de energia, conforme detalhado por Sun et al. Este avanço é atribuído à interação única entre os íons NH4+ e o eletrólito, que facilita o transporte eficiente de íons e a estabilidade robusta do ciclo, estabelecendo as bases para soluções de armazenamento de energia da próxima geração.
Os pesquisadores também confirmaram o efeito de aprimoramento do íon acetato em uma bateria de íons de amônio baseada em MoS2 (outro material 2D na família dos dichalcogenetos de metais de transição). A capacidade de ser usado com diferentes materiais significa que o eletrólito de acetato pode ser usado junto com diferentes materiais 2D para melhorar a capacidade dos AIBs. Esta abordagem também tem o potencial de quebrar as limitações de capacidade tanto em Faradaic (redox) como em não-Faradaic (apenas interacções electrostáticas) e poderia oferecer uma forma de melhorar diferentes AIBs e levar à criação de baterias mais sustentáveis.
Impacto ambiental e considerações de segurança de baterias de íon de amônio
A mudança para baterias de íons de amônio (AIBs) não é apenas uma melhoria técnica em relação aos sistemas de baterias tradicionais, mas também um avanço significativo na conservação ambiental. Os AIBs utilizam materiais menos perigosos e envolvem reações químicas mais seguras, o que reduz o risco de acidentes e diminui a poluição ambiental. Estudos como os de Sun et al. em Natureza das Comunicações demonstraram que o uso de eletrólitos mais seguros, como o acetato de amônio, atenua significativamente riscos como fuga térmica e lixiviação química, tornando os AIBs uma escolha preferida para armazenamento sustentável de energia.
Referência:
Sun Z. et al., Um eletrólito de acetato para maior capacidade pseudocapacitiva em baterias aquosas de íons de amônio, Nature Communications, 15, (2024), 1934.