Uma nova estrutura leve e tridimensional desenvolvida por pesquisadores melhora o transporte de íons de lítio em baterias, apresentando maior estabilidade e densidade de energia, com potencial para aplicação industrial.
Uma nova estrutura polimérica tridimensional desenvolvida pelos pesquisadores POSTECH e KIER melhora significativamente o transporte de íons de lítio e o desempenho da bateria, mostrando uma grande promessa para comercialização futura.
Tal como os sinais de trânsito orientam os viajantes com direcções e distâncias para evitar que se percam, os “sinais” em certos contextos oferecem orientação semelhante. Recentemente, no domínio da química, foram identificadas estruturas que cumprem um papel comparável, despertando considerável interesse na comunidade académica.
Professor Soojin Park e Dong-Yeob Han, candidato a doutorado, do Departamento de Química da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH) em colaboração com o Dr. Gyujin Song do Instituto Coreano de Pesquisa Energética (KIER) e uma equipe de pesquisadores da POSCO N.EX.T HUB desenvolveu uma estrutura polimérica tridimensional. Esta estrutura leve facilita o transporte de íons de lítio (Li). A pesquisa deles foi publicada recentemente na edição online da revista internacional Advanced Science.
Avanços na tecnologia de baterias
A tecnologia de baterias usada em dispositivos eletrônicos, como veículos elétricos e smartphones, continua a evoluir. Notavelmente, os ânodos metálicos de lítio têm uma capacidade energética de 3.860 mAh/g, mais de dez vezes a dos ânodos de grafite atualmente comercializados. Os ânodos metálicos de lítio podem armazenar mais energia em um espaço menor e, diferentemente do grafite ou do silício, podem participar diretamente de reações eletroquímicas como eletrodos.
No entanto, durante o processo de carga e descarga, a distribuição desigual de íons de lítio cria áreas conhecidas como “Li morto”, o que reduz a capacidade e o desempenho da bateria. Além disso, quando o lítio cresce em uma direção, pode atingir o cátodo do lado oposto, causando um curto-circuito interno. Embora pesquisas recentes tenham se concentrado na otimização do transporte de lítio em estruturas tridimensionais, a maioria dessas estruturas depende de metais pesados, comprometendo significativamente a densidade de energia por peso da bateria.
Representação esquemática da geometria interna da estrutura híbrida após eletrodeposição de lítio. Crédito: POSTECH
Estrutura tridimensional inovadora para ânodos
Para resolver esse problema, a equipe desenvolveu uma estrutura porosa híbrida usando álcool polivinílico, um polímero leve com alta afinidade por íons de lítio, combinado com nanotubos de carbono de parede única e esferas de nanocarbono.
Essa estrutura é mais de cinco vezes mais leve que os coletores de cobre (Cu) normalmente usados em ânodos de baterias e possui alta afinidade por íons de lítio, facilitando sua migração através dos espaços da estrutura porosa tridimensional e permitindo a eletrodeposição uniforme de lítio.
Em experimentos, as baterias de ânodo de metal de lítio que incorporam a estrutura tridimensional da equipe demonstraram alta estabilidade após mais de 200 ciclos de carga-descarga e alcançaram uma alta densidade de energia de 344 Wh/kg (energia em relação ao peso total da célula). Notavelmente, esses experimentos foram conduzidos usando células-bolsa, que são representativas de aplicações industriais reais, em vez de células tipo moeda em escala de laboratório, destacando o forte potencial de comercialização da tecnologia.
O professor Soojin Park da POSTECH expressou a importância da pesquisa afirmando: “Esta pesquisa abre novas possibilidades para maximizar a densidade de energia das baterias de metal de lítio”. Gyujin Song, do KIER, enfatizou: “Esta estrutura, que combina propriedades leves com alta densidade de energia, representa um avanço na futura tecnologia de baterias”.
Referência: “Cinética fácil de densificação de lítio por condutor hiperporoso/híbrido para baterias metálicas de lítio de alta densidade” por Dong-Yeob Han, Saehun Kim, Seoha Nam, Gayoung Lee, Hongyeul Bae, Jin Hong Kim, Nam-Soon Choi, Gyujin Song e Soojin Park, 22 de abril de 2024, Ciência Avançada.
DOI: 10.1002/advs.202402156
A pesquisa foi realizada com apoio de um projeto do Ministério da Ciência e TIC.
