Carregamento mais rápido, vida útil mais longa
Bateria de próxima geração descoberta pela POSTECH e KIER
Dado que a procura de baterias capazes de um carregamento ultrarrápido e de uma elevada densidade energética continua a crescer em vários sectores - desde os veículos eléctricos aos sistemas de armazenamento de energia em grande escala (ESS) - uma equipa de investigação conjunta da POSTECH (Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang) e do Instituto de Investigação Energética da Coreia (KIER) desenvolveu um material de ânodo promissor da próxima geração que pode responder a estas necessidades críticas.
Comportamento de ânodos de nanocompósitos de estanho-carbono duro em baterias de iões de lítio e iões de sódio
POSTECH
Embora a grafite, o material anódico mais comum nas baterias de iões de lítio (LIBs), ofereça uma estabilidade estrutural robusta, é limitada pela sua baixa capacidade teórica e taxas de carga/descarga lentas. Para ultrapassar estas limitações, os investigadores propuseram uma nova conceção de elétrodo que combina carbono duro com estanho (Sn).
O carbono duro é um material de carbono desordenado com uma abundância de microporos e caminhos, facilitando a rápida difusão de iões de lítio e sódio. Esta estrutura permite um elevado armazenamento de energia e robustez mecânica, tornando-o ideal para aplicações de alta velocidade e longa duração.
No entanto, a incorporação de estanho apresentou outro desafio. Quanto mais pequenas forem as partículas de estanho, mais eficazmente se reduz a problemática expansão do volume durante o ciclo, aumentando a estabilidade global. Infelizmente, o baixo ponto de fusão do estanho (∼230 °C) dificulta a síntese de partículas tão finas. A equipa de investigação abordou esta questão utilizando um processo sol-gel seguido de redução térmica, incorporando com sucesso nanopartículas de estanho sub-10 nm uniformemente distribuídas dentro da matriz de carbono duro.
A estrutura composta resultante apresenta uma sinergia funcional que vai para além da simples mistura física. As nanopartículas de estanho não só actuam como materiais activos, como também servem de catalisadores que promovem a cristalização do carbono duro circundante. Durante o ciclo eletroquímico, a formação reversível de ligações Sn-O contribui para aumentar a capacidade da bateria através de reacções de conversão.
O elétrodo concebido demonstrou um excelente desempenho em células de iões de lítio, mantendo um funcionamento estável ao longo de 1500 ciclos em condições de carregamento rápido de 20 minutos, ao mesmo tempo que atinge uma densidade de energia volumétrica 1,5 vezes superior à dos ânodos de grafite convencionais. Este feito representa uma integração bem sucedida de alta potência, alta energia e longa duração de ciclo num único elétrodo.
Notavelmente, o elétrodo também apresenta um excelente desempenho em baterias de iões de sódio (SIBs). Os iões de sódio apresentam geralmente uma fraca reatividade com os materiais convencionais do ânodo, como a grafite ou o silício. No entanto, a estrutura nano-compósita de carbono e estanho mantém uma excelente estabilidade e uma cinética rápida em ambientes de sódio, sublinhando a sua versatilidade em várias plataformas de baterias.
O Professor Soojin Park da POSTECH declarou: "Esta investigação representa um novo marco no desenvolvimento de baterias de alta performance da próxima geração e é promissora para aplicações em veículos eléctricos, sistemas híbridos e ESS à escala da rede." O Dr. Gyujin Song, da KIER, acrescentou: "A realização de um ânodo com simultaneamente elevada potência, estabilidade e densidade energética, juntamente com a sua compatibilidade com sistemas de iões de sódio, marca um ponto de viragem no mercado das baterias recarregáveis."
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Publicação original
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