Uma atualização sobre a pesquisa relatada recentemente sobre fibras de carbono porosas mostra como este material pode ser usado em um ambiente industrial, marcando um passo importante do teórico à aplicação.

Guoliang "Greg" Liu, professor assistente de química na Faculdade de Ciências e membro do Instituto de Inovação de Macromoléculas, tem trabalhado no desenvolvimento de fibras de carbono com estruturas porosas uniformes. Em um artigo de jornal publicado recentemente em Avanços da Ciência , Liu detalhou como seu laboratório usou copolímeros em bloco para criar fibras de carbono com mesoporos uniformemente espalhados, semelhante a uma esponja.

Apenas uma semana depois, Liu publicou mais um artigo, desta vez em Nature Communications . O novo artigo mostra como as fibras de carbono porosas de Liu podem permitir alta densidade de energia e altas taxas de carregamento de elétron / íon, que são tipicamente mutuamente exclusivos em dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica.

“Este é o próximo passo que será relevante para a indústria, "Liu disse." Queremos fazer um processo amigável para a indústria. Agora, a indústria deve olhar seriamente para a fibra de carbono não apenas como um material estrutural, mas também como uma plataforma de armazenamento de energia para carros, aeronaves, e outros."

Apresentando materiais pseudocapacitivos

As fibras de carbono já são amplamente utilizadas nas indústrias aeroespacial e automotiva devido ao seu alto desempenho em uma variedade de áreas, incluindo resistência mecânica e peso. A visão de longo prazo de Liu é construir carcaças externas de carro com fibras de carbono porosas que podem armazenar energia dentro dos poros.

Mas o carbono por si só não é suficiente. Embora seja um material estruturalmente primário, o carbono não possui densidade de energia alta o suficiente para criar supercapacitores para aplicações altamente exigentes.

O padrão atual da indústria acopla o carbono com o que é conhecido como materiais pseudocapacitivos, que desbloqueia a capacidade de armazenar uma grande quantidade de energia, mas induz outro problema de baixa taxa de descarga de carga.

Um material pseudocapacitivo comumente usado é o óxido de manganês (MnO2) devido ao seu baixo custo e desempenho razoável. Para carregar MnO2 em fibra de carbono ou outro material, Liu embebe as fibras em uma solução do precursor KMnO4. O precursor então reage com o carbono, grava uma fina camada de carbono, e ancora no resto do carbono, criando uma camada fina de cerca de 2 nm de espessura.

Mas a indústria enfrenta um desafio com o MnO2. Muito pouco MnO2 significa que a capacidade de armazenamento é muito baixa. Muito MnO2 cria uma camada muito espessa que é eletricamente isolante. E pior, ele retarda o transporte de íons. Ambos contribuem para diminuir as taxas de carga-descarga.

"Queremos acoplar o carbono com materiais pseudocapacitivos porque juntos têm uma densidade de energia muito maior do que o carbono puro. Agora, a questão é como resolver o problema da condutividade de elétrons e íons, "Liu disse.

Contudo, Liu descobriu que suas fibras de carbono porosas podem superar esse impasse. Os testes em seu laboratório mostraram o melhor dos dois mundos:alta carga de MnO2 e altas taxas de carga e descarga sustentadas.

O laboratório de Liu provou que podiam carregar até 7 mg / cm2 de MnO2 antes que o desempenho caísse. Isso é o dobro ou quase o triplo da quantidade de MnO2 que a indústria pode utilizar atualmente.

"Alcançamos 84 por cento do limite teórico deste material com uma carga de massa de 7 mg / cm2, "Liu disse." Se você carregar 7 mg / cm2 de outros materiais, você não vai conseguir isso. "

Aplicações de curto prazo

Com a taxa de publicação dos resultados do laboratório de Liu, carros movidos a cápsulas externas podem chegar mais cedo do que pensamos, mas Liu pisa no freio nessa ideia.

"Em uma visão de longo prazo, poderíamos substituir a gasolina por carros supercapacitores elétricos, "Liu disse." Neste momento, o mínimo que poderíamos fazer é utilizar isso como uma peça de armazenamento de energia em carros. "

Liu disse que uma aplicação de curto prazo poderia ser a utilização de peças de fibra de carbono para fornecer muita energia em um curto período de tempo para acelerar os carros.

Mas Liu também está olhando além da indústria automotiva para outras aplicações de transporte.

"Se você quiser um drone para entregar produtos para a Amazon, você quer que o drone carregue o máximo de peso possível, e você quer que o drone seja o mais leve possível, "Disse Liu." Os drones baseados em fibra de carbono podem fazer as duas coisas. As fibras de carbono são materiais estruturais fortes para transportar as mercadorias, e são materiais de armazenamento de energia para fornecer energia para transporte. "

A pesquisa sobre este material está se acelerando no laboratório de Liu, e ele disse que ainda tem muito mais ideias para testar.

"O que eu acredito é que as fibras de carbono porosas são um material de plataforma, "Liu disse." Os primeiros dois artigos, focamos no armazenamento de energia para veículos. Mas acreditamos que este material pode fazer mais do que isso. Esperamos poder contar mais histórias em breve. "