Os pesquisadores da KAIST desenvolveram uma bateria híbrida inovadora de íons de sódio com alta potência e densidade de energia, prometendo carregamento rápido para aplicações em veículos elétricos e outras tecnologias avançadas.
O sódio (Na), sendo mais de 500 vezes mais abundante que o lítio (Li), atraiu recentemente um interesse considerável pelo seu potencial uso em tecnologias de baterias de íons de sódio.
No entanto, as baterias de iões de sódio existentes enfrentam limitações fundamentais, incluindo menor produção de energia, propriedades de armazenamento restritas e tempos de carregamento mais longos, necessitando do desenvolvimento de materiais de armazenamento de energia da próxima geração.
No dia 11 de abril, KAIST (representado pelo presidente Kwang Hyung Lee) anunciou que uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Jeung Ku Kang do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais desenvolveu uma bateria híbrida de íon de sódio de alta energia e alta potência, capaz de carregamento rápido.
Caracterizações eletroquímicas de células completas FS/C/G-20//ZDPC SIHES (esquerda). Gráficos de Ragone para FS/C/G-20//ZDPC (este trabalho) e outros dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica de íons de sódio relatados anteriormente (à direita). Crédito: Laboratório de Simulação e Fabricação de Nano Materiais KAIST
O inovador sistema híbrido de armazenamento de energia integra materiais anódicos normalmente usados em baterias com cátodos adequados para supercapacitores. Esta combinação permite que o dispositivo atinja altas capacidades de armazenamento e rápidas taxas de carga e descarga, posicionando-o como uma alternativa viável de próxima geração às baterias de íons de lítio.
Enfrentando desafios tecnológicos
No entanto, o desenvolvimento de uma bateria híbrida com alta energia e alta densidade de potência requer uma melhoria na lenta taxa de armazenamento de energia dos ânodos do tipo bateria, bem como o aumento da capacidade relativamente baixa dos materiais catódicos do tipo supercapacitor.
Procedimentos sintéticos esquemáticos de materiais anódicos e catódicos de alta capacidade/alta taxa para armazenamentos de energia híbridos de íons de sódio (SIHES) e seus mecanismos de armazenamento de energia propostos. Procedimentos sintéticos para (a) ânodo de carbono/grafeno (FS/C/G) dopado com S e sulfeto de ferro ultrafino e (b) materiais catódicos de carbono poroso derivado de estrutura de imidazolato zeolítico (ZDPC). (c) Mecanismos propostos de armazenamento de energia de íons Na+ no ânodo FS/C/G e íons ClO-4 no cátodo ZDPC para um SIHES. Crédito: Laboratório de Simulação e Fabricação de Nano Materiais KAIST
Para explicar isso, a equipe do professor Kang utilizou duas estruturas metal-orgânicas distintas para a síntese otimizada de baterias híbridas. Esta abordagem levou ao desenvolvimento de um material anódico com cinética melhorada através da inclusão de materiais ativos finos em carbono poroso derivado de estruturas metal-orgânicas.
Além disso, um material catódico de alta capacidade foi sintetizado, e a combinação dos materiais catódico e anódico permitiu o desenvolvimento de um sistema de armazenamento de íons sódio otimizando o equilíbrio e minimizando as disparidades nas taxas de armazenamento de energia entre os eletrodos.
Desempenho e aplicações potenciais
A célula completa montada, compreendendo o ânodo e o cátodo recentemente desenvolvidos, forma um dispositivo híbrido de armazenamento de energia de íons de sódio de alto desempenho. Este dispositivo supera a densidade de energia das baterias comerciais de íons de lítio e exibe as características da densidade de potência dos supercapacitores. Espera-se que seja adequado para aplicações de carregamento rápido, desde veículos elétricos a dispositivos eletrónicos inteligentes e tecnologias aeroespaciais.
O professor Kang observou que o dispositivo híbrido de armazenamento de energia de íons de sódio, capaz de carregar rapidamente e atingir uma densidade de energia de 247 Wh/kg e uma densidade de potência de 34.748 W/kg, representa um avanço na superação das atuais limitações dos sistemas de armazenamento de energia. Ele prevê aplicações mais amplas em vários dispositivos eletrônicos, incluindo veículos elétricos.
Referência: “Ânodo dopado com S embutido com sulfeto de ferro multivalência condutor de baixa cristalinidade e cátodo dopado com O de alta área superficial de estruturas de carbono grafítico rico em N poroso 3D para armazenamentos de energia híbrida de íon de sódio de alto desempenho” por Jong Hui Choi, Dong Won Kim, Do Hwan Jung, Keon-Han Kim, Jihoon Kim e Jeung Ku Kang, 27 de março de 2024, Materiais de armazenamento de energia.
DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103368
O estudo foi conduzido com o apoio do Ministério da Ciência e TIC e da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia através do Projeto de Desenvolvimento de Tecnologia de Nanomateriais.
