As baterias de íon de lítio mais recentes do mercado provavelmente estenderão a vida útil de telefones e carros elétricos em até 40%. Este salto em frente, que vem depois de mais de uma década de melhorias incrementais, está acontecendo porque os desenvolvedores substituíram o ânodo de grafite da bateria por um feito de silício. Pesquisas da Drexel University e Trinity College, na Irlanda, agora sugerem que uma melhoria ainda maior poderia ocorrer se o silício fosse fortificado com um tipo especial de material chamado MXene.

Esse ajuste pode estender a vida útil das baterias de íon-lítio em até cinco vezes, o grupo relatou recentemente em Nature Communications . É possível devido à capacidade do material MXene bidimensional de impedir que o ânodo de silício se expanda até seu ponto de ruptura durante o carregamento - um problema que impediu seu uso por algum tempo.

"Os ânodos de silício são projetados para substituir os ânodos de grafite em baterias de íon-lítio com um grande impacto na quantidade de energia armazenada, "disse Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e Bach Professor na Drexel's College of Engineering e diretor da A.J. Instituto de Nanomateriais Drexel no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, que foi coautor da pesquisa. "Descobrimos que adicionar materiais MXene aos ânodos de silício pode estabilizá-los o suficiente para serem usados ​​em baterias."

Em baterias, a carga é mantida em eletrodos - o cátodo e o ânodo - e entregue aos nossos dispositivos à medida que os íons viajam de um ânodo para o cátodo. Os íons retornam ao ânodo quando a bateria é recarregada. A vida útil da bateria tem aumentado constantemente com a descoberta de maneiras de melhorar a capacidade dos eletrodos de enviar e receber mais íons. Substituir o silício por grafite como o material primário no ânodo de íon-lítio melhoraria sua capacidade de absorver íons porque cada átomo de silício pode aceitar até quatro íons de lítio, enquanto em ânodos de grafite, seis átomos de carbono absorvem apenas um lítio. Mas enquanto carrega, o silício também se expande - em até 300 por cento - o que pode causar sua quebra e mau funcionamento da bateria.

A maioria das soluções para este problema envolveu a adição de materiais de carbono e ligantes de polímero para criar uma estrutura para conter o silício. O processo para fazer isso, de acordo com Gogotsi, é complexo e o carbono contribui pouco para carregar o armazenamento da bateria.

Por contraste, o método do grupo Drexel e Trinity mistura pó de silício em uma solução de MXene para criar um ânodo híbrido de silício-MXene. Nanofolhas MXene se distribuem aleatoriamente e formam uma rede contínua enquanto envolvem as partículas de silício, agindo assim como aditivo condutor e aglutinante ao mesmo tempo. É a estrutura MXene que também impõe ordem aos íons conforme eles chegam e evita que o ânodo se expanda.

"MXenes são a chave para ajudar o silício a atingir seu potencial em baterias, "Gogotsi disse." Como os MXenes são materiais bidimensionais, há mais espaço para os íons no ânodo e eles podem se mover mais rapidamente para dentro dele - melhorando assim a capacidade e a condutividade do eletrodo. Eles também têm excelente resistência mecânica, portanto, os ânodos de silicone-MXene também são bastante duráveis ​​até a espessura de 450 mícrons. "

MXenes, que foram descobertos pela primeira vez na Drexel em 2011, são feitos por decapagem química de um material cerâmico em camadas chamado de fase MAX, para remover um conjunto de camadas quimicamente relacionadas, deixando uma pilha de flocos bidimensionais. Os pesquisadores produziram mais de 30 tipos de MXene até o momento, cada um com um conjunto ligeiramente diferente de propriedades. O grupo selecionou dois deles para fazer os ânodos de silício-MXene testados para o papel:carboneto de titânio e carbonitreto de titânio. Eles também testaram ânodos de bateria feitos de nanopartículas de silício envoltas em grafeno.

Todas as três amostras de ânodo mostraram maior capacidade de íon-lítio do que os ânodos atuais de grafite ou silício-carbono usados ​​em baterias de íon-lítio e condutividade superior - na ordem de 100 para 1, 000 vezes maior do que os ânodos de silício convencionais, quando MXene é adicionado.

"A rede contínua de nanofolhas MXene não só fornece condutividade elétrica suficiente e espaço livre para acomodar a mudança de volume, mas também resolve bem a instabilidade mecânica do Si, "eles escrevem." Portanto, a combinação de tinta MXene viscosa e Si de alta capacidade demonstrada aqui oferece uma técnica poderosa para construir nanoestruturas avançadas com desempenho excepcional. "

Chuanfang Zhang, Ph.D., pesquisador de pós-doutorado na Trinity e principal autor do estudo, também observa que a produção dos ânodos MXene, por fundição em lama, é facilmente escalonável para produção em massa de ânodos de qualquer tamanho, o que significa que eles podem fazer seu caminho em baterias que alimentam praticamente qualquer um de nossos dispositivos.

“Considerando que mais de 30 MXenes já foram relatados, com mais previsão de existência, certamente há muito espaço para melhorar ainda mais o desempenho eletroquímico dos eletrodos da bateria, utilizando outros materiais da grande família MXene, " ele disse.