p Uma equipe de engenharia da Kansas State University descobriu algumas das propriedades importantes do óxido de grafeno que podem melhorar as baterias flexíveis de íons de sódio e lítio. p Gurpreet Singh, professor assistente de engenharia mecânica e nuclear, e Lamuel David, estudante de doutorado em engenharia mecânica, Índia, publicou suas descobertas no Journal of Physical Chemistry no artigo "Eletrodo de papel de óxido de grafeno reduzido:Efeito oposto do recozimento térmico na ciclabilidade de Li e Na."

p O óxido de grafeno é uma versão isolante e defeituosa do grafeno que pode ser convertido em um condutor ou semicondutor quando é aquecido. Singh e sua equipe estudaram folhas de óxido de grafeno como eletrodos de papel flexíveis para baterias de íons de sódio e lítio.

p Os pesquisadores descobriram que a capacidade de armazenamento de sódio dos eletrodos de papel depende da distância entre as camadas individuais que podem ser ajustadas pelo aquecimento em argônio ou gás amônia. Por exemplo, folhas de óxido de grafeno reduzidas, ou rGO, produzidos em alta temperatura têm capacidade de sódio perto de zero, enquanto folhas de óxido de grafeno reduzidas produzidas a 500 graus C têm a capacidade máxima.

p “A observação é importante porque o grafite, que é um precursor para a produção de óxido de grafeno, tem capacidade insignificante para sódio e tem sido descartada como eletrodo viável para baterias de sódio, "O grafite é o material escolhido nas baterias de íon de lítio atuais porque o espaçamento entre camadas é ideal para que íons de lítio de tamanho menor se difundam para dentro e para fora."

p Os pesquisadores são os primeiros a mostrar que um papel flexível composto inteiramente de folhas de óxido de grafeno pode carregar e descarregar com íons de sódio por mais de 1, 000 ciclos. O sal de perclorato de sódio dissolvido em carbonato de etileno servia como eletrólito em suas células.

p "A maioria dos materiais de eletrodo de lítio para baterias de sódio não pode durar mais do que algumas dezenas de ciclos de carga e descarga porque o sódio é muito maior do que o lítio e causa enormes mudanças de volume e danos ao material hospedeiro, "Singh disse." Este projeto é único porque a distância entre as camadas individuais de grafeno é grande o suficiente para permitir a inserção e extração rápidas dos íons de sódio, graças aos átomos de oxigênio e hidrogênio que impedem as folhas de se empilhar novamente. "

p Singh e sua equipe também estudaram o comportamento mecânico dos eletrodos feitos de folhas reduzidas de óxido de grafeno. Os pesquisadores mediram a tensão necessária para separar os eletrodos. Por meio da videografia, eles mostraram a capacidade dos papéis de óxido de grafeno amassados ​​de sustentar grandes tensões antes de falhar.

p "Essas medições e estudos de mecanismos de falha são importantes para projetar baterias de longa duração porque você deseja que o eletrodo seja capaz de expandir e contrair repetidamente sem fratura por milhares de ciclos, especialmente para baterias maiores de íons metálicos de não lítio, "Singh disse." Hoje em dia, quase todos usam grafeno amassado como agente condutor ou como suporte elástico, ou ambos. "

p No início deste ano, Singh e sua equipe demonstraram a síntese em larga escala de folhas de dissulfeto de molibdênio com poucas camadas de espessura. Eles também mostraram que o papel composto de bissulfeto de molibdênio / grafeno tem potencial como um eletrodo de alta capacidade para baterias de íons de sódio. Nessa pesquisa, os cientistas usaram o grafeno como condutor de elétrons para as folhas de dissulfeto de molibdênio e observaram que o grafeno é amplamente inativo em relação ao sódio.

p Sua última pesquisa mostrou que, ao contrário do sódio, a capacidade de lítio de rGO aumenta com o aumento da temperatura de síntese de rGO atingindo o valor máximo para a amostra produzida a 900 graus C.

p “Só agora percebemos que a capacidade de sódio do grafeno, ou rGO, depende de sua temperatura de processamento, "Singh disse." Os espécimes rGO em nosso estudo anterior foram preparados a 900 graus C. "

p Singh disse que a pesquisa em baterias de sódio e não-lítio é importante por vários motivos. À medida que o foco muda de veículos para sistemas de armazenamento de energia estacionários e veículos grandes, baterias estacionárias precisam ser mais baratas, seguro e ambientalmente benigno. Por causa de sua grande abundância, o sódio é um candidato potencial para substituir as baterias de íon de lítio.

p Com foco na nanotecnologia, Singh e sua equipe foram capazes de explorar e projetar materiais que podem armazenar íons de sódio de forma reversível e sem danos. Eles encontraram sua resposta no óxido de grafeno, que pode dar um ciclo de íons de sódio por mais de 1, 000 ciclos.

p Singh e sua equipe continuarão explorando novos nanomateriais e se concentrando em materiais que podem ser produzidos em massa de maneira econômica.

p “Gostaríamos de realizar estudos fundamentais para entender as origens da perda do primeiro ciclo, histerese de tensão, e degradação de capacidade que são comuns aos ânodos de bateria de íons de metal preparados a partir de cristais em camadas 2-D, como calcogenetos de metal de transição, grafeno, etc, "Singh disse.

p Os pesquisadores também estão analisando outros nanomateriais que foram descartados como eletrodos de bateria, tais como folhas de nitreto de boro e cerâmicas à base de nitrogênio de silício.