Os cientistas da Universidade de Stanford criaram um novo material de carbono que aumenta significativamente o desempenho das tecnologias de armazenamento de energia. Seus resultados são apresentados na capa do jornal ACS Central Science .

"Nós desenvolvemos um 'carbono projetado' que é versátil e controlável, "disse Zhenan Bao, o autor sênior do estudo e professor de engenharia química em Stanford. "Nosso estudo mostra que este material tem capacidade excepcional de armazenamento de energia, permitindo um desempenho sem precedentes em baterias de lítio-enxofre e supercapacitores. "

De acordo com Bao, o novo carbono projetado representa uma melhoria dramática em relação ao carvão ativado convencional, um material barato amplamente utilizado em produtos que variam de filtros de água e desodorizadores de ar a dispositivos de armazenamento de energia.

"Muito carvão ativado barato é feito de cascas de coco, "Bao disse." Para ativar o carbono, os fabricantes queimam o coco em altas temperaturas e depois o tratam quimicamente. "

O processo de ativação cria buracos nanométricos, ou poros, que aumentam a área de superfície do carbono, permitindo que catalise mais reações químicas e armazene mais cargas elétricas.

Mas o carvão ativado tem sérias desvantagens, Disse Bao. Por exemplo, há pouca interconectividade entre os poros, que limita sua capacidade de transporte de eletricidade.

“Com carvão ativado, não há como controlar a conectividade dos poros, "Bao disse." Além disso, muitas impurezas da casca do coco e de outras matérias-primas são transportadas para o carbono. Como desodorante de geladeira, carvão ativado convencional é bom, mas não oferece desempenho alto o suficiente para dispositivos eletrônicos e aplicativos de armazenamento de energia. "

Redes 3-D

Em vez de usar cascas de coco, Bao e seus colegas desenvolveram uma nova maneira de sintetizar carbono de alta qualidade usando produtos químicos e polímeros baratos - e não contaminados.

O processo começa com a condução do hidrogel, um polímero à base de água com uma textura esponjosa semelhante a lentes de contato gelatinosas.

"Os polímeros de hidrogel formam uma rede interconectada, estrutura tridimensional ideal para a condução de eletricidade, "Bao disse." Esta estrutura também contém moléculas orgânicas e átomos funcionais, como nitrogênio, que nos permitem ajustar as propriedades eletrônicas do carbono. "

Para o estudo, a equipe de Stanford usou um processo de carbonização e ativação moderado para converter as estruturas orgânicas do polímero em folhas de carbono com nanômetros de espessura.

"As folhas de carbono formam uma rede 3-D com boa conectividade de poros e alta condutividade eletrônica, "disse o estudante de graduação John To, um co-autor principal do estudo. "Também adicionamos hidróxido de potássio para ativar quimicamente as folhas de carbono e aumentar sua área de superfície."

O resultado:carbono projetado que pode ser ajustado para uma variedade de aplicações.

"Nós o chamamos de carbono projetado porque podemos controlar sua composição química, tamanho de poro e área de superfície simplesmente mudando o tipo de polímeros e ligantes orgânicos que usamos, ou ajustando a quantidade de calor que aplicamos durante o processo de fabricação, "Para disse.

Por exemplo, elevando a temperatura de processamento de 750 graus Fahrenheit (400 graus Celsius) para 1, 650 F (900 C) resultou em um aumento de 10 vezes no volume dos poros.

O processamento subsequente produziu material de carbono com uma área de superfície recorde de 4, 073 metros quadrados por grama - o equivalente a três campos de futebol americano embalados em uma onça de carbono. A área de superfície máxima alcançada com carvão ativado convencional é de cerca de 3, 000 metros quadrados por grama.

"Uma grande área de superfície é essencial para muitas aplicações, incluindo eletrocatálise, armazenamento de energia e captura de emissões de dióxido de carbono de fábricas e usinas de energia, "Bao disse.

Supercapacitores

Para ver como o novo material funcionou em condições do mundo real, a equipe de Stanford fabricou eletrodos revestidos de carbono e os instalou em baterias de lítio-enxofre e supercapacitores.

"Supercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia amplamente usados ​​em transporte e eletrônicos devido à sua capacidade de carga e descarga ultrarrápida, "disse o pós-doutorado Zheng Chen, um co-autor principal. "Para supercondensadores, o material de carbono ideal tem uma grande área de superfície para armazenar cargas elétricas, alta condutividade para o transporte de elétrons e uma arquitetura de poros adequada que permite o rápido movimento de íons da solução eletrolítica para a superfície do carbono. "

No experimento, uma corrente foi aplicada a supercapacitores equipados com eletrodos de carbono de design.

Os resultados foram dramáticos. A condutividade elétrica triplicou em comparação com os eletrodos do supercapacitor feitos de carvão ativado convencional.

"Também descobrimos que o carbono do nosso designer melhorou a taxa de entrega de energia e a estabilidade dos eletrodos, "Bao acrescentou.

Baterias

Os testes também foram realizados em baterias de lítio-enxofre, uma tecnologia promissora com uma falha séria:quando o lítio e o enxofre reagem, eles produzem moléculas de polissulfeto de lítio, que pode vazar do eletrodo para o eletrólito e fazer com que a bateria falhe.

A equipe de Stanford descobriu que eletrodos feitos com carbono de design podem capturar esses polissulfetos incômodos e melhorar o desempenho da bateria.

"Podemos projetar eletrodos facilmente com poros muito pequenos que permitem que os íons de lítio se difundam através do carbono, mas evitam que os polissulfetos se espalhem, "Bao disse." Nosso carbono designer é simples de fazer, relativamente barato e atende a todos os requisitos críticos para eletrodos de alto desempenho. "