O silício é o segundo elemento mais abundante na Terra, compondo 27,7% por cento da crosta terrestre. Além de sua capacidade de criar praias arenosas e vidros transparentes, o silício também tem o potencial de produzir baterias de íons metálicos altamente eficientes.
Em um mundo onde dispositivos alternativos de armazenamento de energia, como baterias de íons de lítio, estão ganhando força, há a necessidade de aproveitar a excelente capacidade de energia específica do silício como material de eletrodo. A aplicação comercial de materiais de eletrodo à base de silício é muitas vezes dificultada devido a duas razões principais:1) falta de estabilidade mecânica decorrente da expansão de volume descontrolada após litiação, o processo de combinação com um íon de lítio e 2) desvanecimento rápido de energia causado por a formação de formação de interface sólido-eletrodo instável (SEI).

Ao longo dos anos, os cientistas desenvolveram vários eletrodos negativos avançados à base de silício ou materiais anódicos para superar os problemas mencionados acima. O mais proeminente entre eles são os nanomateriais de silício. No entanto, os nanomateriais de silício vêm com certos deméritos, como uma grande lacuna de demanda e oferta, processo de síntese difícil e caro e, o mais importante, uma ameaça de secagem rápida da bateria.

Agora, um grupo de pesquisadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), liderado pelo Prof. Noriyoshi Matsumi, propõe uma solução para esses problemas que assolam as micropartículas de silício (SiMP). Em seu estudo publicado no Journal of Materials Chemistry A em 18 de julho de 2022, a equipe relatou uma abordagem holística para sintetizar novos SiMPs altamente resilientes que consistem em vidros pretos (oxicarbeto de silício) enxertados de silício como material de ânodo para baterias de íons de lítio. A equipe de pesquisa incluiu Ravi Nandan, pesquisador, Noriyuki Takamori, estudante de doutorado, Koichi Higashimine, especialista técnico, e Dr. Rajashekar Badam, ex-professor sênior da JAIST.

"As nanopartículas de silício podem fornecer maior área de superfície efetiva, mas isso vem com suas próprias desvantagens, como aumento do consumo de eletrólito, bem como baixa eficiência coulombiana inicial após alguns ciclos de carga e descarga. Os SiMPs são os mais apropriados, de baixo custo e facilmente disponíveis alternativas, especialmente quando combinados com materiais que possuem propriedades estruturais excepcionais, como vidros pretos de oxicarbeto de silício. Nosso material não é apenas de alto desempenho, mas também propício para oportunidades de escala", explicou o Prof. Matsumi quando questionado sobre a lógica por trás do estudo.

A equipe projetou um material do tipo núcleo-casca onde o núcleo era composto de SiMP revestido em uma camada de carbono e, em seguida, os vidros pretos de oxicarboneto de silício foram enxertados como a camada de casca. Os materiais preparados foram então usados ​​em uma configuração de meia célula anódica para testar sua capacidade de armazenar lítio de forma reversível sob diferentes janelas de potencial. Essa triagem mostrou que o material possui grande capacidade de difusão de lítio, resistência interna reduzida e expansão volumétrica geral. As propriedades eletroquímicas superiores deste novo material foram ainda estabelecidas pela retenção de 99,4% da capacidade de energia, mesmo após 775 ciclos de carga e descarga. Além da capacidade superlativa de armazenamento de energia, o material também exibiu grande estabilidade mecânica durante todo o processo de teste.

Os resultados indicam fortemente a superioridade dos novos materiais anódicos ativos baseados em SiMP. De fato, esses materiais abriram novos caminhos para a aplicação de silício em baterias secundárias de íons de lítio de próxima geração. A capacidade de upscaling deste processo de síntese pode ajudar a preencher a lacuna entre a pesquisa laboratorial e as aplicações industriais no campo de armazenamento de energia. Isso é particularmente importante para a produção de veículos elétricos de baixo custo, que podem reduzir sensivelmente as emissões de carbono. O Prof. Matsumi destaca esta aplicação significativa de seu estudo dizendo que "nossa metodologia oferece um caminho eficaz para o desenvolvimento de materiais de anodo de alto desempenho para baterias de íon de lítio com eficiência energética, que é um alicerce essencial para a criação de um sistema sustentável e de baixo custo. carbono amanhã." + Explorar mais

Uma metodologia simples para a síntese de novos materiais anódicos baseados em nanopartículas β-SiC para baterias de íons de lítio