Hierarchical Cotton Pulp Fiber-Microfibrillated Cellulose Separator for Long- Cycle-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries

O armazenamento de energia é a espinha dorsal silenciosa de um mundo moderno movido pelo sol e pelo vento. Quando o sol brilha ou o vento sopra, a eletricidade deve ser capturada e guardada para uso posterior, uma tarefa atualmente dominada pelas baterias de íon-lítio. Embora essas baterias alimentem nossos telefones e carros, elas dependem de materiais que são caros para minerar e que frequentemente envolvem líquidos inflamáveis que podem pegar fogo. Os cientistas, portanto, procuram alternativas mais seguras e baratas que possam lidar com a escala massiva necessária para alimentar cidades inteiras. Um candidato promissor é a bateria de zinco-íon aquosa. Esses dispositivos usam líquidos à base de água para mover energia, tornando-os inerentemente mais seguros e construídos a partir de materiais abundantes e de baixo custo. No entanto, como uma árvore jovem crescendo rápido demais, o zinco dentro dessas baterias tende a formar espigões afiados, semelhantes a agulhas, chamados dendritos. Esses espigões podem perfurar a barreira entre os lados positivo e negativo da bateria, fazendo com que ela falhe ou entre em curto-circuito. Para fazer com que essas baterias durem o suficiente para serem úteis, os pesquisadores devem encontrar uma maneira de impedir o crescimento desses espigões e manter a estrutura interna da bateria intacta.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Xinjiang e da Universidade de Tianjin desenvolveu uma nova barreira, ou separador, projetado especificamente para resolver esse problema. Em vez de usar plásticos sintéticos ou fibras de vidro, eles recorreram à natureza, criando um separador inteiramente de algodão. Eles combinaram duas formas de celulose, o principal componente estrutural das paredes celulares das plantas: fibras de polpa de algodão e celulose microfibrilada. A polpa de algodão fornece fibras longas, em escala micrométrica, enquanto a celulose microfibrilada consiste em fios minúsculos, em escala nanométrica. Ao misturar esses dois materiais e filtrá-los através de um vácuo, os pesquisadores criaram um tapete denso e entrelaçado. Esse tapete apresenta uma estrutura hierárquica, o que significa que possui poros de diferentes tamanhos que trabalham juntos. Os poros maiores permitem que o eletrólito líquido flua rapidamente, enquanto a rede densa de fibras minúsculas atua como um escudo forte contra o crescimento dos espigões de zinco.

Os resultados dessa abordagem foram medidos em laboratório com uma precisão impressionante. O novo separador à base de algodão provou ser notavelmente forte, com uma resistência à tração de 23,36 megapascais, superando em muito os 0,2 megapascais dos separadores padrão de fibra de vidro atualmente em uso. Essa força é crucial porque evita que o separador se rasgue durante a montagem da bateria ou quando os espigões de zinco tentam atravessá-lo. O material também absorveu o eletrólito líquido da bateria de forma eficiente e permitiu que os íons de zinco se movessem suavemente através dele. Quando os pesquisadores testaram a capacidade da bateria de carregar e descarregar repetidamente, a diferença foi gritante. Uma bateria equipada com o novo separador de algodão funcionou por mais de 1.200 horas em uma corrente constante, enquanto uma bateria com o separador padrão de fibra de vidro falhou após apenas 400 horas. Mesmo sob condições mais exigentes, onde a bateria foi solicitada a armazenar uma grande quantidade de energia em um espaço pequeno, o separador de algodão permitiu que a bateria operasse por mais de 200 horas sem falhar, enquanto a versão de fibra de vidro entrou em curto-circuito em menos de 100 horas.

Olhar mais de perto para as baterias após os testes revelou por que o separador de algodão teve um desempenho tão bom. Nas baterias com o separador padrão de fibra de vidro, o metal de zinco cresceu em espigões ásperos e irregulares que danificaram o separador e criaram uma superfície desordenada. Em contraste, as baterias com o separador de algodão mostraram uma camada de zinco lisa e plana, indicando que o metal estava se depositando uniformemente, em vez de formar espigões perigosos. O material de algodão também ajudou a reduzir a formação de subprodutos químicos indesejados que podem obstruir a bateria. Quando os pesquisadores construíram uma bateria completa usando um material à base de vanádio para o lado positivo, o separador de algodão ajudou a bateria a reter cerca de 83% de sua capacidade após 100 ciclos, enquanto o separador padrão permitiu que a capacidade caísse para apenas 17%. Mesmo após 1.200 ciclos em alta velocidade, a bateria com o separador de algodão ainda mantinha uma capacidade específica de 92,4 miliampere-horas por grama.

Este trabalho sugere que um material simples e biodegradável feito de algodão pode superar alternativas sintéticas complexas no ambiente severo de uma bateria metálica. Os pesquisadores descobriram que a combinação de fibras longas e nanofibras minúsculas criou uma estrutura que era ao mesmo tempo forte o suficiente para bloquear espigões e porosa o suficiente para permitir o fluxo de energia. Embora o artigo observe que uma otimização adicional é necessária para o carregamento de altíssima velocidade, as descobertas oferecem um caminho claro a seguir. Ao usar um recurso renovável que já é abundante e barato, essa abordagem oferece uma maneira sustentável de construir baterias mais seguras e duradouras para o futuro do armazenamento de energia.