Nova técnica "one-pot" como um avanço para a síntese de materiais
Desenvolvimento simultâneo de electrólitos inorgânicos e poliméricos para baterias que possam ser utilizados em toda a indústria química
A produção de electrólitos para baterias - o componente que transporta as partículas carregadas para trás e para a frente entre os dois pólos de uma bateria - sempre foi um compromisso.
Um novo artigo do laboratório do Professor Assistente Chibueze Amanchukwu (à esquerda) da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da UChicago, que também envolve a primeira autora Priyadarshini Mirmira (à direita), demonstra uma nova técnica que pode produzir electrólitos inorgânicos e poliméricos ao mesmo tempo e no mesmo recipiente.
UChicago Pritzker School of Molecular Engineering / John Zich
Os electrólitos inorgânicos de estado sólido são extremamente eficientes no transporte das partículas, mas, por serem sólidos e inorgânicos, são também frágeis, difíceis de processar e difíceis de ligar sem problemas aos terminais. Os electrólitos de polímero são um sonho, mas não transportam tão bem os iões carregados.
Quando se misturam os dois para criar electrólitos híbridos, obtêm-se, bem, resultados mistos.
"É um dilema. Será que um híbrido é o melhor de dois mundos, em termos da maior condutividade iónica do material inorgânico e das boas propriedades mecânicas do polímero, ou será que é uma combinação das piores propriedades?", afirma o Professor Assistente Chibueze Amanchukwu da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME).
Utilizando uma nova técnica do laboratório de Amanchukwu, os electrólitos inorgânicos e poliméricos são produzidos ao mesmo tempo no mesmo recipiente. Este método "one-pot" in-situ produz uma mistura controlada e homogénea que combina a condutividade dos sólidos inorgânicos com a flexibilidade dos polímeros.
"Na produção de baterias de lítio metálico, o método in-situ supera significativamente o método de mistura física", afirma Amanchukwu.
O seu trabalho foi publicado na revista Chemistry of Materials.
Embora o estudo se tenha centrado nos electrólitos das baterias, a nova técnica também terá impacto na investigação de semicondutores, eletrónica, revestimentos industriais, vedantes e qualquer outro domínio que dependa de materiais híbridos.
"Supondo que se pretende algo que se estique e torça muito bem - como a eletrónica vestível - é possível conceber o polímero para obter a flexibilidade mecânica com esse material", disse a primeira autora Priyadarshini Mirmira, PhD'24.
Combinar as correntes
A produção de materiais híbridos envolve atualmente duas correntes de síntese. Os materiais inorgânicos e poliméricos são produzidos separadamente, mesmo que ambos sejam sintetizados ao mesmo tempo - e depois é necessário um tempo adicional para misturar os dois materiais.
Isto é um incómodo no laboratório, mas um obstáculo económico na produção em massa que a indústria exige.
"Do ponto de vista industrial, é muito difícil e dispendioso aumentar a produção", diz Mirmira. "Se conseguirmos fazer ambos num só recipiente, reduzimos a mão de obra necessária para fazer o material híbrido."
A mistura de plásticos de alta tecnologia tem os mesmos problemas que a mistura de farinha de aveia - grumos. Uma mistura com grumos significa baterias ineficientes, selantes com grumos e eletrónica menos útil.
"Já fiz o pó, a cerâmica e o polímero, agora posso misturá-los", disse Amanchukwu. "O desafio é: o que é que faz uma boa mistura? Queremos uma boa mistura? Não é isso que se pretende? As partículas aglomeram-se? Não?"
Não só a produção dos materiais numa panela resulta numa mistura física perfeita, como a equipa também descobriu que alguns materiais se misturam quimicamente.
"Com algumas combinações do precursor inorgânico e do precursor polimérico, conseguimos demonstrar ligações cruzadas, ou seja, uma ligação química entre o inorgânico e o polímero", diz Amanchukwu. "Esta é simplesmente uma nova química de materiais que nos entusiasmou."
Aplicações diversas
O trabalho centrou-se nas baterias de lítio, uma vez que estas são mais frequentemente utilizadas em veículos eléctricos, armazenamento na rede e outras aplicações. No entanto, a técnica também pode ser utilizada com baterias de sódio, que estão a ganhar terreno como uma alternativa mais barata e abundante ao lítio.
"É apenas uma questão de alterar um dos reagentes do lado inorgânico para o tornar aplicável também a uma célula de bateria de sódio", afirmou Mirmira.
O aumento da escala do processo de uma só panela para o nível necessário à produção industrial requer "alguns ajustes diferentes", disse Mirmira. Em primeiro lugar, o processo tem de ser completamente isento de ar, ou seja, executado sob árgon ou outro gás inerte. Isto é mais fácil de conseguir no laboratório do que numa fábrica.
Em segundo lugar, a panela aquece. Para atingir níveis industriais, é necessária uma afinação precisa - o recipiente deve estar suficientemente quente para sintetizar o polímero, mas não tão quente que a temperatura de decomposição do material seja ultrapassada.
"Se aumentarmos a escala da reação, temos mais material e o recipiente fica ainda mais quente", diz Mirmira. "Por isso, temos de nos preocupar com o controlo da temperatura.
Quando estes obstáculos forem ultrapassados, a investigação conduzirá a híbridos perfeitos e homogéneos, produzidos de forma económica e quimicamente eficiente.
"Este tipo de controlo sobre um material polimérico inorgânico totalmente integrado era um desafio que estávamos a tentar resolver, e foi uma coisa muito fixe de se conseguir", diz Mirmira.
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