Uma equipe do Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) fabricou pela primeira vez um nanomaterial feito de nanopartículas de um composto de óxido de titânio (Ti4O7) que é caracterizado por uma área de superfície extremamente grande, e o testei como um material catódico em baterias de lítio-enxofre. O nanomaterial altamente poroso possui alta capacidade de armazenamento que permanece quase constante ao longo de muitos ciclos de carregamento.

Atualmente, As baterias de lítio são uma das melhores soluções para armazenar energia elétrica em um pequeno espaço. Os íons de lítio nessas baterias migram do ânodo para o pólo elétrico oposto, o cátodo, durante o ciclo de alta. O ânodo e o cátodo geralmente consistem em compostos de metais pesados ​​que são caros e tóxicos.

Uma alternativa interessante é a bateria de lítio-enxofre. Nesse caso, o cátodo não consiste em metais pesados, mas em vez de enxofre - um material econômico e amplamente disponível. À medida que os íons de lítio migram para o cátodo durante o ciclo de descarga, lá ocorre uma reação que forma sulfeto de lítio (Li2S) por meio de vários polissulfetos de lítio intermediários. Durante o ciclismo, a dissolução de polissulfetos de lítio faz com que a capacidade da bateria diminua ao longo de vários ciclos de carga por meio do chamado "efeito vaivém". Por esta razão, pesquisadores em todo o mundo estão trabalhando para melhorar os materiais catódicos que seriam capazes de confinar ou encapsular polissulfetos química ou fisicamente, como com nanopartículas feitas de dióxido de titânio (TiO ₂ ), por exemplo.

Nanopartículas de Ti4O7 com estrutura de poros interconectada

A equipe do HZB chefiada pelo Prof. Yan Lu agora fabricou um material catódico que é ainda mais eficaz. Aqui também, nanopartículas fornecem confinamento do enxofre. Contudo, eles não consistem em dióxido de titânio, mas em vez de Ti ₄ O ₇ moléculas dispostas em uma superfície esférica porosa. Essas nanopartículas porosas ligam polissulfetos de forma substancialmente mais forte do que o TiO normal ₂ nanopartículas.

“Desenvolvemos um processo de fabricação especial para gerar este complexo, estrutura de poros interconectada tridimensionalmente ", explica Yan Lu. Yan Lu primeiro fabrica um gabarito feito de uma matriz de minúsculas esferas de polímero com superfícies porosas. Este modelo é preparado em etapas adicionais, então submerso em uma solução de isopropóxido de titânio. Uma camada de Ti ₄ O ₇ é formado nas esferas porosas e permanece após o tratamento térmico, que decompõe o polímero subjacente. Em comparação com outros materiais catódicos feitos de óxidos de titânio, o Ti ₄ O ₇ a matriz da nanosfera possui uma área de superfície extremamente grande. 12 gramas desse material cobririam um campo de futebol.

Função decodificada em BESSY II

Medições de espectroscopia de raios-X (XPS) no experimento CISSY de BESSY II mostram que os compostos de enxofre se ligam fortemente à superfície da nanomatriz.

Alta capacidade específica

Isso também explica a alta capacidade específica por grama (1219 mAh) a 0,1 C (1 C =1675 mA g ^-1 ) A capacidade específica também diminui muito pouco durante os ciclos repetidos de carga / descarga (0,094 por cento por ciclo). Por comparação, a capacidade específica dos materiais catódicos feitos de nanopartículas de TiO2 é de 683 mAh / g. Para aumentar a condutividade deste material, é possível aplicar um revestimento suplementar de carbono às nanopartículas. A estrutura altamente porosa permanece intacta após este processo.

O aumento de escala é viável

“Há mais de um ano trabalhamos para melhorar a repetibilidade dessa síntese. Agora sabemos como fazer. A seguir, vamos trabalhar na fabricação do material como um filme fino ", diz Yan Lu. E a melhor parte:neste caso, o que teve sucesso no laboratório também pode ser transferido para a manufatura comercial. Isso ocorre porque todos os processos, da química do colóide à tecnologia de filme fino, são escaláveis.