As baterias de íon-lítio são a principal fonte de energia recarregável para muitos dispositivos portáteis, bem como veículos elétricos, mas seu uso é limitado, porque eles não fornecem saída de alta potência, permitindo simultaneamente o armazenamento de energia reversível. Pesquisa relatada em Avaliações de Física Aplicada visa oferecer uma solução mostrando como a inclusão de enchimentos condutores melhora o desempenho da bateria.

O projeto ideal da bateria envolve estruturas de eletrodos espessas. Isso aumenta a densidade de energia, mas o projeto sofre com o transporte deficiente de íons de lítio, uma etapa fundamental no funcionamento desses eletrodos. Várias técnicas de melhoria foram tentadas, incluindo a construção de canais alinhados verticalmente ou a criação de poros do tamanho adequado para facilitar o transporte dos íons de lítio.

Outra abordagem envolve o uso de enchimentos feitos de carbono que conduzem eletricidade. Este estudo considerou três tipos de cargas:nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs), nanofolhas de grafeno, e uma substância conhecida como Super P, um tipo de partículas de negro de fumo produzidas durante a oxidação dos precursores do petróleo. Super P é o enchimento condutor mais comumente usado em baterias de íon-lítio.

Os enchimentos foram adicionados a um tipo de material de eletrodo conhecido como NCM que contém níquel, cobalto, e manganês. Os investigadores examinaram os compósitos resultantes com microscopia eletrônica de varredura. As partículas Super P e NCM foram encontradas dispostas em um modo de contato ponto a ponto.

Os SWCNTs eram, Contudo, enrolado em torno das partículas NCM, formando um revestimento condutor. Além disso, redes de SWCNTs interconectadas foram observadas nos espaços entre as partículas NCM. As nanofolhas de grafeno também foram enroladas em torno das partículas do eletrodo NCM, mas não tão uniformemente quanto os SWCNTs.

Os SWCNTs foram considerados o melhor preenchimento condutor para eletrodos NCM.

"A condutividade medida é consistente com a teoria da percolação ... Quando um enchimento eletricamente condutor é adicionado a uma matriz isolante, aumentos significativos na condutividade ocorrerão uma vez que a primeira via de condução através do compósito seja formada, "disse Guihua Yu, um dos autores.

Uma vez que a percolação requer um caminho completo através do enchimento, uma quantidade suficiente de enchimento condutor é necessária. Portanto, os investigadores consideraram várias quantidades de enchimento e descobriram que a combinação de eletrodos NCM com apenas 0,16% em peso de SWCNT produzia boa condutividade elétrica. Quantidades maiores de Super P e grafeno foram necessárias para atingir esses mesmos resultados.

Os investigadores usaram várias técnicas espectroscópicas, incluindo espectroscopia de absorção Raman e de raios-X, para estudar os compostos resultantes.

"Este é um esforço colaborativo do Center for Mesoscale Transport Properties, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia apoiado pelo programa de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA. Nossos resultados sugerem que a integração de SWCNTs no eletrodo NCM facilita a transferência de íons e carga. Isso levará a uma maior utilização eletroquímica, especialmente em altas taxas de descarga, "Yu disse.