Nova preparação do próximo

23 de dezembro de 2022

por Tsinghua University Press

O desempenho das baterias de íon-lítio será essencial para tornar a transição limpa mais barata e fácil, o que, por sua vez, requer uma nova geração de materiais para os ânodos dessas baterias. Uma das opções de melhor desempenho, um composto de silício-monóxido-carbono, sofre uma série de reações químicas indesejadas. Uma nova técnica de preparação para este material anódico parece ter finalmente resolvido o problema.

A busca pela próxima geração de materiais para ânodos em baterias de íon-lítio há muito sofre com uma série de reações químicas parasitas para muitos dos substitutos propostos para o grafite que é usado convencionalmente. Uma nova técnica de preparação para um material composto de silício-monóxido-carbono parece pronta para finalmente fornecer os ganhos de eficiência desejados sem nenhuma das reações colaterais indesejadas.

Um artigo descrevendo o processo apareceu na revista Nano Research.

Desde o final da década de 1990, a maioria dos fabricantes de baterias de íon-lítio usa grafite como o ânodo da bateria (o terminal negativo no qual a corrente elétrica entra na bateria), substituindo o carvão de coque. A mudança do coque para o grafite, uma forma de carbono, foi feita devido à sua estabilidade de longo prazo ao longo de muitos ciclos de recarga e descarga.

Mas, para melhorar ainda mais o desempenho da bateria de íon-lítio (e, ao fazê-lo, tornar a transição dos combustíveis fósseis mais barata e viável), os fabricantes de baterias precisarão de ânodos ainda melhores.

Uma das substituições de material de ânodo amplamente elogiadas para grafite são compostos à base de silício devido à sua alta capacidade específica (taxa de descarga) e abundância na crosta terrestre. O monóxido de silício, em particular, tem se mostrado uma grande promessa para a próxima geração de baterias de íon-lítio de alta potência.

Apesar dessa promessa, o monóxido de silício por si só também vem com um conjunto de desvantagens, não menos importante, sua baixa condutividade inerente e mudança maciça de tamanho (volume) ao longo dos ciclos de recarga e descarga. Essas variações de volume de até 300% resultam na destruição e derramamento dos materiais do ânodo, reduzindo radicalmente o desempenho.

"No entanto, se o monóxido de silício for combinado em um material compósito com carbono - uma espécie de mistura entre o material de ânodo de grafite existente e o ânodo de silício da próxima geração, poderíamos ter um vencedor", disse Zhengwen Fu, um co-autor do estudo e um eletroquímico do Laboratório Chave de Xangai de Catálise Molecular e Materiais Inovadores da Universidade de Fudan. "O compósito oferece o melhor dos dois mundos. Mas mesmo aqui há muitos obstáculos a serem superados."

O carbono oferece o benefício de alta condutividade elétrica e sua estabilidade estrutural acima mencionada, e também experimenta uma expansão de volume muito menor durante o ciclismo. Sua flexibilidade e capacidade de lubrificação também funcionam para inibir a expansão de volume do silício. No geral, o ânodo composto oferece boa capacidade e alto desempenho de ciclo.

Infelizmente, resolver um conjunto de problemas produziu apenas outro: ânodos compostos de silício-monóxido-carbono sofrem de eficiência coulômbica relativamente baixa. A eficiência coulômbica, às vezes chamada de eficiência de corrente, refere-se à relação entre a carga elétrica total colocada em uma bateria em comparação com a carga total extraída dela. (Coulomb é o termo usado para descrever uma unidade de carga elétrica) Sempre haverá menos retirada do que entrada, mas o objetivo é limitar essas perdas inevitáveis ​​ao mínimo.

A eficiência coulômbica é de particular importância para melhorar o desempenho e reduzir o custo da quantidade colossal de baterias que precisaremos para eletrificar veículos e para sistemas de armazenamento de energia para apoiar fontes variáveis ​​de energia renovável, como eólica e solar.