O mesmo material que você encontrará na ponta de um lápis - grafite - tem sido um componente chave nas baterias de íon de lítio atuais. À medida que nossa dependência dessas baterias aumenta, Contudo, eletrodos à base de grafite precisam de uma atualização. Por isso, os cientistas estão olhando para o elemento central da revolução digital:o silício.

Cientistas do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA descobriram uma nova maneira de usar esse ingrediente de armazenamento de energia promissor, mas problemático. Silício, usado em chips de computador e muitos outros produtos, é atraente porque pode conter 10 vezes mais carga elétrica por grama em comparação com o grafite. O problema é, o silício se expande muito quando encontra o lítio, e é muito fraco para suportar a pressão da fabricação do eletrodo.

Para resolver esses problemas, uma equipe liderada pelos pesquisadores do PNNL Ji-Guang (Jason) Zhang e Xiaolin Li desenvolveu uma nanoestrutura única que limita a expansão do silício enquanto o fortifica com carbono. Trabalho deles, que foi publicado recentemente no jornal Nature Communications , poderia informar novos projetos de material de eletrodo para outros tipos de baterias e, eventualmente, ajudar a aumentar a capacidade de energia das baterias de íon-lítio em carros elétricos, dispositivos eletrônicos, e outros equipamentos.

Tirando os contras do silício

Uma forma condutora e estável de carbono, o grafite é adequado para empacotar íons de lítio no ânodo de uma bateria durante o carregamento. O silício pode absorver mais lítio do que o grafite, mas tende a aumentar cerca de 300 por cento em volume, fazendo com que o ânodo se quebre. Os pesquisadores criaram uma forma porosa de silício agregando pequenas partículas de silício em microesferas com cerca de 8 micrômetros de diâmetro - aproximadamente o tamanho de um glóbulo vermelho.

"Um material sólido como a pedra, por exemplo, quebrará se expandir muito em volume, "Zhang disse." O que criamos é mais como uma esponja, onde há espaço interno para absorver a expansão. "

O eletrodo com estrutura de silício porosa exibe uma mudança na espessura de menos de 20 por cento, enquanto acomoda o dobro da carga de um ânodo de grafite típico, o estudo descobriu. Contudo, ao contrário das versões anteriores de silício poroso, as microesferas também exibiram extraordinária resistência mecânica, graças aos nanotubos de carbono que fazem as esferas se assemelharem a bolas de lã.

Microesferas superfortes

Os pesquisadores criaram a estrutura em várias etapas, começando por revestir os nanotubos de carbono com óxido de silício. Próximo, os nanotubos foram colocados em uma emulsão de óleo e água. Em seguida, eles foram aquecidos até ferver.

"Os nanotubos de carbono revestidos condensam-se em esferas quando a água evapora, "disse Li." Então usamos alumínio e calor superior para converter o óxido de silício em silício, seguido de imersão em água e ácido para remoção de subprodutos. ”O que emerge do processo é um pó composto por minúsculas partículas de silício na superfície dos nanotubos de carbono.

A resistência das esferas porosas de silício foi testada usando a sonda de um microscópio de força atômica. Os autores descobriram que uma das bolas de fio nanométricas "pode ​​ceder ligeiramente e perder alguma porosidade sob força de compressão muito alta, mas não vai quebrar. "

Isso é um bom presságio para a comercialização, porque os materiais do ânodo devem ser capazes de lidar com alta compressão nos rolos durante a fabricação. O próximo passo, Zhang disse, é desenvolver métodos mais escalonáveis ​​e econômicos para fazer as microesferas de silício para que um dia elas possam chegar à próxima geração de baterias de íon-lítio de alto desempenho.