Um grupo de pesquisadores da Universidade Drexel criou um eletrodo de material semelhante a um tecido que pode ajudar a tornar os dispositivos de armazenamento de energia - baterias e supercapacitores - mais rápidos e menos suscetíveis a vazamentos ou colapsos desastrosos. Seu projeto para um novo supercapacitor, que se parece com uma esponja peluda infundida com gelatina, oferece uma alternativa única para a solução de eletrólito inflamável que é um componente comum nesses dispositivos.

O fluido eletrolítico dentro das baterias e dos supercapacitores pode ser corrosivo ou tóxico e quase sempre inflamável. Para acompanhar o avanço da nossa tecnologia móvel, dispositivos de armazenamento de energia foram sujeitos a encolhimento de material no processo de design, o que os deixou vulneráveis ​​a curto-circuito - como em casos recentes com os dispositivos Galaxy Note da Samsung - que, quando combinado com a presença de um eletrólito líquido inflamável, pode criar uma situação explosiva.

Então, em vez de uma solução de eletrólito inflamável, o dispositivo projetado por Vibha Kalra, PhD, professor da Faculdade de Engenharia de Drexel, e sua equipe, usou um eletrólito de gel rico em íons espesso absorvido em uma esteira independente de nanofibras de carbono porosas para produzir um dispositivo livre de líquido. O grupo, que incluiu a assistente de doutorado de Kalra, Sila Simotwo, e os pesquisadores da Temple Stephanie L.Wunder, PhD, e Parameswara Chinnam, PhD, publicou recentemente seu novo design para um "supercapacitor de estado sólido sem solvente" no jornal American Chemical Society Materiais Aplicados e Interfaces .

“Eliminamos completamente o componente que pode pegar fogo nesses dispositivos, "Kalra disse." E, ao fazer isso, também criamos um eletrodo que pode permitir que os dispositivos de armazenamento de energia se tornem mais leves e melhores. "

Supercapacitores são outro tipo de dispositivo de armazenamento de energia. Eles são semelhantes às baterias, na medida em que retêm e liberam energia eletrostaticamente, mas em nossa tecnologia - dispositivos móveis, laptops, carros elétricos - eles tendem a servir como reserva de energia, porque podem descarregar sua energia armazenada em um jato rápido, ao contrário das baterias que duram um longo período de uso. Mas, como baterias, supercapacitores usam uma solução de eletrólito inflamável, como resultado, eles são vulneráveis ​​a vazamentos e incêndios.

Não apenas o supercapacitor do grupo é livre de solventes - o que significa que não contém líquido inflamável - mas o design compacto também é mais durável e sua capacidade de armazenamento de energia e vida útil de carga e descarga são melhores do que os dispositivos comparáveis ​​atualmente em uso. Também é capaz de operar em temperaturas de até 300 graus Celsius, o que significa que tornaria os dispositivos móveis muito mais duráveis ​​e menos propensos a se tornarem um risco de incêndio devido ao uso abusivo.

"Para permitir a espessura e o carregamento do eletrodo industrialmente relevantes, desenvolvemos um eletrodo semelhante a um pano composto de nanofibras que fornece uma estrutura de poro aberto tridimensional bem definida para fácil infusão do precursor de eletrólito sólido, "O eletrodo de poro aberto também é livre de agentes de ligação que agem como isolantes e diminuem o desempenho", disse Kalra.

A chave para produzir este dispositivo durável é uma estrutura de eletrodo semelhante a fibra que a equipe criou usando um processo chamado eletrofiação. O processo deposita uma solução de polímero precursor de carbono na forma de uma esteira fibrosa extrudindo-a através de um campo elétrico giratório - um processo que, no nível microscópico, parece algo como fazer algodão doce.

O ionogel é então absorvido na esteira de fibra de carbono para criar uma rede eletrodo-eletrólito completa. Suas excelentes características de desempenho também estão ligadas a esta forma única de combinar eletrodo e soluções eletrolíticas. Isso ocorre porque eles estão fazendo contato em uma área de superfície maior.

Se você pensar em um dispositivo de armazenamento de energia como uma tigela de flocos de milho, então, o lugar onde ocorre o armazenamento de energia é mais ou menos onde os flocos encontram o leite - os cientistas chamam isso de "dupla camada elétrica". É onde o eletrodo condutor que armazena eletricidade encontra a solução eletrolítica que carrega a carga elétrica. Idealmente, em sua tigela de cereal, o leite passaria por todos os flocos para obter a cobertura certa em cada um - nem muito crocante nem muito empapado. Mas às vezes o cereal fica empilhado e o leite - ou a solução eletrolítica, no caso da nossa comparação - não chega até o fim, então os flocos em cima estão secos, enquanto os flocos no fundo estão saturados. Esta não é uma boa tigela de cereal, e seu equivalente eletroquímico - um congestionamento de elétrons a caminho dos locais de ativação no eletrodo - não é ideal para armazenamento de energia.

O supercapacitor de estado sólido de Kalra é como colocar trigo picado na tigela, em vez de flocos de milho. A arquitetura aberta permite que o leite penetre e cubra o cereal, muito parecido com o ionogel permeia a esteira de fibra de carbono no supercapacitor de estado sólido do Kalra. A esteira fornece uma área de superfície maior para os íons do ionogel acessarem o eletrodo, o que aumenta a capacidade e melhora o desempenho do dispositivo de armazenamento de energia. Também elimina a necessidade de muitos dos materiais de andaime que são partes essenciais da formação do eletrodo físico, mas não desempenha um papel no processo de armazenamento de energia e contribui muito para o peso geral do dispositivo.

"Eletrodos de última geração são compostos de pós finos que precisam ser misturados com agentes ligantes e transformados em uma pasta, que é então aplicado no dispositivo. Esses ligantes adicionam peso morto ao dispositivo, como eles não são materiais condutores, e eles realmente atrapalham seu desempenho, "Kalra disse." Nossos eletrodos são independentes, eliminando assim a necessidade de ligantes, cujo processamento pode representar até 20 por cento do custo de fabricação de um eletrodo. "

O próximo passo para o grupo de Kalra será aplicar essa técnica à produção de baterias de estado sólido, bem como explorar sua aplicação para tecidos inteligentes.