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NovidadesModelo para o sucesso: moldando eletrodos de carbono duro para baterias de próxima geração

Modelo para o sucesso: moldando eletrodos de carbono duro para baterias de próxima geração

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Os cientistas usam compostos inorgânicos à base de zinco para melhorar enormemente a capacidade das baterias de íons de sódio e potássio.

Charging a car battery - illustrative photo.

Carregando bateria de carro – foto ilustrativa. Crédito da imagem: JUICE via Unsplash, licença gratuita

Baterias de íon de lítio (LIBs) são, de longe, o tipo de bateria recarregável mais utilizado, abrangendo inúmeras aplicações. Estes incluem produtos eletrónicos de consumo, veículos elétricos (por exemplo, carros Tesla), sistemas de energia renovável e naves espaciais.

Embora as LIBs ofereçam o melhor desempenho em muitos aspectos quando comparadas a outras baterias recarregáveis, elas têm seu quinhão de desvantagens. O lítio é um recurso bastante escasso e o seu preço aumentará rapidamente à medida que a sua disponibilidade diminuir.

Além disso, a extração de lítio e os LIBs descartados indevidamente representam enormes desafios ambientais, uma vez que os eletrólitos líquidos comumente usados ​​são tóxicos e inflamáveis.

As deficiências dos LIBs motivaram pesquisadores em todo o mundo a procurar tecnologias alternativas de armazenamento de energia. As baterias de íons de sódio (Na) (NIBs) e as baterias de íons de potássio (KIBs) são duas opções emergentes que são econômicas e sustentáveis. Prevê-se que tanto os NIB como os KIB sejam indústrias de milhares de milhões de dólares até ao final da década.

Os governos de todo o mundo, incluindo os dos EUA, Áustria, Hong Kong, Alemanha e Austrália, estão a promover a investigação e a inovação neste campo. Além disso, empresas como Faradion Limited, TIAMAT SAS e HiNa Battery Technology Co. Ltd. estão investindo pesadamente nesta tecnologia. Espera-se que tanto a Contemporary Amperex Technology Co. Limited quanto a Build Your Dreams apresentem em breve baterias para veículos elétricos com NIBs.

Infelizmente, porém, a capacidade dos materiais dos eletrodos usados ​​nos NIBs e KIBs ainda está aquém da dos LIBs. Neste contexto, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Shinichi Komaba da Tokyo University Science (TUS), no Japão, tem trabalhado para desenvolver materiais de eletrodos inovadores de alta capacidade para NIBs e KIBs.

Em seu último estudo, publicado em Materiais de energia avançados em 9 de novembro de 2023, eles relatam uma nova estratégia de síntese para eletrodos nanoestruturados de “carbono duro” (HC) que oferecem desempenho sem precedentes. O estudo foi coautor do Sr. Daisuke Igarashi, da Sra. Yoko Tanaka e do professor associado júnior Ryoichi Tatara da TUS, e do Dr.

Mas o que é HC e por que é útil para NIBs e KIBs? Ao contrário de outras formas de carbono, como o grafeno ou o diamante, o HC é amorfo; carece de uma estrutura cristalina bem definida. Além disso, é forte e resistente. Em um estudo anterior de 2021, o Prof. Komaba e seus colegas encontraram uma maneira de usar óxido de magnésio (MgO) como modelo durante a síntese de eletrodos de HC para NIBs, alterando sua nanoestrutura final.

O processo levou à formação de nanoporos dentro dos eletrodos após a remoção do MgO, o que, por sua vez, aumentou enormemente sua capacidade de armazenar Na+ íons.

Motivados por suas descobertas anteriores, os pesquisadores exploraram se compostos feitos de zinco (Zn) e cálcio (Ca) também poderiam ser úteis como nanomodelos para eletrodos de HC. Para tanto, eles investigaram sistematicamente diferentes amostras de HC feitas com óxido de zinco (ZnO) e carbonato de cálcio (CaCO3) e comparou seu desempenho com os sintetizados com óxido de magnésio (MgO).

Experimentos preliminares mostraram que o ZnO era particularmente promissor para o eletrodo negativo dos NIBs. Dessa forma, os pesquisadores otimizaram a concentração de ZnO incorporado na matriz HC durante a síntese, demonstrando uma capacidade reversível de 464 mAh·g-1 (correspondente a NaC4.8) com alta eficiência coulombiana inicial de 91.7% e baixo potencial médio de 0.18 V vs.+/N / D.

A equipe alcançou resultados notáveis ​​ao incorporar este poderoso material de eletrodo em uma bateria real. “O NIB fabricado usando o HC otimizado modelado com ZnO como eletrodo negativo exibiu uma densidade de energia de 312 Wh·kg-1" destaca o Prof. 

“Este valor é equivalente à densidade de energia de certos tipos de LIBs atualmente comercializados com LiFePO4 e grafite e é mais de 1.6 vezes a densidade de energia dos primeiros NIBs (192 Wh · kg-1), que nosso laboratório relatou em 2011.” Notavelmente, o HC modelado com ZnO também exibiu uma capacidade significativa de 381 mAh·g-1 quando incorporado num KIB, demonstrando ainda mais o seu potencial.

Em conjunto, os resultados deste estudo mostram que o uso de nanopartículas inorgânicas como modelo para controlar a estrutura dos poros pode fornecer uma diretriz eficaz para o desenvolvimento de eletrodos de HC. “Nossas descobertas provam que os HCs são candidatos promissores para eletrodos negativos como alternativa ao grafite”, conclui o Prof.

Moldar carbono duro para obter eletrodos excepcionais de grande capacidade para baterias de íons de sódio: É possível incorporar nanoporos em carbono duro usando óxido de zinco como modelo durante sua síntese. Esses poros permitem que o material armazene muito mais portadores de carga, tornando-o um candidato promissor a eletrodo para baterias de íon de sódio que pode atingir uma densidade de energia comparável à das baterias de íon de lítio do tipo LiFePO4.

Moldar carbono duro para obter eletrodos excepcionais de grande capacidade para baterias de íons de sódio: É possível incorporar nanoporos em carbono duro usando óxido de zinco como modelo durante sua síntese. Esses poros permitem que o material armazene muito mais portadores de carga, tornando-o um candidato promissor a eletrodo para baterias de íon de sódio que pode atingir uma densidade de energia comparável à das baterias de íon de lítio do tipo LiFePO4. Crédito da imagem: Shinichi Komaba da TUS Japão

Por sua vez, isto poderia tornar os NIB viáveis ​​para aplicações práticas, como o desenvolvimento de produtos eletrónicos de consumo sustentáveis ​​e de veículos elétricos, bem como sistemas de armazenamento de energia com baixa pegada de carbono para armazenar energia de parques solares e eólicos.

Fonte: Universidade de Ciências de Tóquio



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