Expandindo o uso de silício em baterias, evitando que os eletrodos se expandam

Pesquisadores da Drexel e Trinity College, na Irlanda, desenvolveram uma maneira de intercalar folhas MXene entre partículas de silício para formar um ânodo estável que expandiria a capacidade das baterias de íons de lítio.

As baterias de íon-lítio mais recentes do mercado provavelmente prolongarão a vida útil de telefones e carros elétricos em até 40%. Esse avanço, que ocorre após mais de uma década de melhorias incrementais, está acontecendo porque os desenvolvedores substituíram o ânodo de grafite da bateria por um feito de silício. Pesquisas da Drexel University e do Trinity College, na Irlanda, agora sugerem que uma melhoria ainda maior pode ocorrer se o silício for enriquecido com um tipo especial de material chamado MXene.

Esse ajuste pode prolongar a vida útil das baterias de íons de lítio em até cinco vezes, informou o grupo recentemente na Nature Communications. Isso é possível devido à capacidade do material MXene bidimensional de impedir que o ânodo de silício se expanda até seu ponto de ruptura durante o carregamento - um problema que impediu seu uso por algum tempo.

“Os ânodos de silício são projetados para substituir os ânodos de grafite em baterias de íon-lítio com um grande impacto na quantidade de energia armazenada”, disseYury Gogotsi, PhD , Distinguished University e Bach Professor na Drexel's College of Engineering e diretor do AJ Drexel Nanomaterials Institute no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, que foi co-autor da pesquisa. “Descobrimos que adicionar materiais MXene aos ânodos de silício pode estabilizá-los o suficiente para serem realmente usados ​​em baterias”.

Nas baterias, a carga é mantida em eletrodos – o cátodo e o ânodo – e entregue aos nossos dispositivos à medida que os íons viajam do ânodo para o cátodo. Os íons retornam ao ânodo quando a bateria é recarregada. A vida útil da bateria aumentou constantemente ao encontrar maneiras de melhorar a capacidade dos eletrodos de enviar e receber mais íons. Substituir o silício por grafite como material primário no ânodo de íons de lítio melhoraria sua capacidade de receber íons porque cada átomo de silício pode aceitar até quatro íons de lítio, enquanto nos ânodos de grafite, seis átomos de carbono absorvem apenas um lítio. Mas à medida que carrega, o silício também se expande - até 300% - o que pode causar a quebra e o mau funcionamento da bateria.

A maioria das soluções para esse problema envolveu a adição de materiais de carbono e aglutinantes de polímero para criar uma estrutura para conter o silício. O processo para fazê-lo, segundo Gogotsi, é complexo e o carbono contribui pouco para o armazenamento de carga pela bateria.

Por outro lado, o método do grupo Drexel e Trinity mistura pó de silício em uma solução MXene para criar um ânodo híbrido de silício-MXene. As nanofolhas MXene distribuem-se aleatoriamente e formam uma rede contínua enquanto envolvem as partículas de silício, agindo assim como aditivo condutor e aglutinante ao mesmo tempo. É a estrutura MXene que também impõe ordem aos íons à medida que eles chegam e impede que o ânodo se expanda.

"MXenes são a chave para ajudar o silício a atingir seu potencial em baterias", disse Gogotsi. "Como os MXenes são materiais bidimensionais, há mais espaço para os íons no ânodo e eles podem se mover mais rapidamente para dentro dele - melhorando assim a capacidade e a condutividade do eletrodo. Eles também têm excelente resistência mecânica, então ânodos de silício-MXene também são bastante duráveis ​​até 450 mícrons de espessura."

Os MXenes, que foram descobertos pela primeira vez na Drexel em 2011, são feitos por corrosão química de um material cerâmico em camadas chamado fase MAX, para remover um conjunto de camadas quimicamente relacionadas, deixando uma pilha de flocos bidimensionais. Os pesquisadores produziram mais de 30 tipos de MXene até o momento, cada um com um conjunto ligeiramente diferente de propriedades. O grupo selecionou dois deles para fazer os ânodos de silício-MXene testados para o papel: carboneto de titânio e carbonitreto de titânio. Eles também testaram ânodos de bateria feitos de nanopartículas de silício envoltas em grafeno.

Todas as três amostras de ânodo mostraram maior capacidade de íons de lítio do que os atuais ânodos de grafite ou silício-carbono usados ​​em baterias de íon-lítio e condutividade superior - da ordem de 100 a 1.000 vezes maior que os ânodos de silício convencionais, quando MXene é adicionado.