Baterias recarregáveis ​​de baixo custo estão no coração de praticamente todos os dispositivos eletrônicos portáteis, que se tornaram onipresentes na vida diária moderna. Além disso, baterias recarregáveis ​​são componentes essenciais em muitas tecnologias amigáveis ​​ao meio ambiente, como carros elétricos e sistemas que coletam energia renovável. Eles também são os principais capacitadores de vários dispositivos médicos e facilitam a pesquisa em vários campos como fonte de energia de sensores eletrônicos e câmeras. Então, não deve ser surpresa que haja muito esforço gasto no desenvolvimento de baterias recarregáveis ​​melhores e mais baratas.

Até aqui, baterias recarregáveis ​​de íon de lítio ocupam o primeiro lugar graças ao seu excelente desempenho em termos de capacidade, estabilidade, preço, e tempo de carregamento. Contudo, lítio, e outros metais menores e caros, como cobalto e cobre, não estão entre os materiais mais abundantes na crosta terrestre, e sua demanda sempre crescente logo levará a problemas de abastecimento em todo o mundo. Na Universidade de Ciência de Tóquio, Japão, O professor Shinichi Komaba e seus colegas têm se esforçado para encontrar uma solução para esse dilema cada vez pior desenvolvendo baterias recarregáveis ​​usando alternativas, materiais mais abundantes.

Em um estudo recente publicado em Angewandte Chemie International Edition , a equipe encontrou um método eficiente de energia para produzir um novo material à base de carbono para baterias de íon de sódio. Além do Prof. Komaba, a equipe também incluiu a Sra. Azusa Kamiyama e o Prof. Associado Kei Kubota da Universidade de Ciência de Tóquio, Dr. Yong Youn e Dr. Yoshitaka Tateyama do National Institute for Materials Science, Japão, e o Prof. Associado Kazuma Gotoh da Universidade de Okayama, Japão. O estudo se concentrou na síntese de carbono duro, um material altamente poroso que serve como eletrodo negativo de baterias recarregáveis, através do uso de óxido de magnésio (MgO) como um molde inorgânico de poros de tamanho nanométrico dentro do carbono duro.

Os pesquisadores exploraram uma técnica diferente para misturar os ingredientes do modelo de MgO, a fim de ajustar com precisão a nanoestrutura do eletrodo de carbono duro resultante. Após múltiplas análises experimentais e teóricas, eles elucidaram as condições ideais de fabricação e ingredientes para produzir carbono duro com uma capacidade de 478 mAh / g, o maior já reportado neste tipo de material. O Prof. Komaba afirma, "Até agora, a capacidade dos materiais do eletrodo negativo à base de carbono para baterias de íon de sódio era principalmente em torno de 300 a 350 mAh / g. Embora valores próximos a 438 mAh / g tenham sido relatados, esses materiais requerem tratamento térmico em temperaturas extremamente altas acima de 1900 ° C. Em contraste, empregamos tratamento térmico a apenas 1500 ° C, uma temperatura relativamente baixa. "Claro, com temperatura mais baixa vem menor gasto de energia, o que também significa menor custo e menor impacto ambiental.

A capacidade deste material de eletrodo de carbono rígido recém-desenvolvido é certamente notável, e supera em muito o da grafite (372 mAh / g), que atualmente é usado como o material do eletrodo negativo em baterias de íon-lítio. Além disso, mesmo que uma bateria de íon de sódio com este eletrodo negativo de carbono duro em teoria funcione com uma diferença de voltagem de 0,3 volts menor do que uma bateria de íon de lítio padrão, a maior capacidade do primeiro levaria a uma densidade de energia muito maior por peso (1600 Wh / kg versus 1430 Wh / kg), resultando em + 19% de aumento da densidade de energia.

Animado com os resultados e de olho no futuro, Prof. Komaba observa, "Nosso estudo prova que é possível realizar baterias de íon sódio de alta energia, derrubando a crença comum de que as baterias de íons de lítio têm uma densidade de energia mais alta. O carbono duro com capacidade extremamente alta que desenvolvemos abriu uma porta para o design de novos materiais de armazenamento de sódio. "

Mais estudos serão necessários para verificar se o material proposto realmente oferece vida útil superior, características de entrada-saída, e operação em baixa temperatura em baterias reais de íons de sódio. Com alguma sorte, podemos estar prestes a testemunhar a próxima geração de baterias recarregáveis!