p Uma nova estrutura de ânodo de alto desempenho baseada em materiais nanocompósitos de silício-carbono pode melhorar significativamente o desempenho das baterias de íon-lítio usadas em uma ampla gama de aplicações, de veículos híbridos a eletrônicos portáteis. p Produzido com uma técnica de automontagem "bottom-up", a nova estrutura aproveita a nanotecnologia para ajustar as propriedades de seus materiais, abordando as deficiências dos anodos de bateria à base de silício anteriores. O simples, A técnica de fabricação de baixo custo foi projetada para ser facilmente ampliada e compatível com a fabricação de baterias existentes.

p Os detalhes da nova abordagem de automontagem foram publicados online no jornal Materiais da Natureza em 14 de março.

p "O desenvolvimento de uma nova abordagem para a produção de partículas hierárquicas de ânodo ou cátodo com propriedades controladas abre a porta para muitas novas direções para a tecnologia de bateria de íon-lítio, "disse Gleb Yushin, professor assistente na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Este é um passo significativo em direção à produção comercial de materiais anódicos à base de silício para baterias de íon-lítio."

p As baterias populares e leves funcionam transferindo íons de lítio entre dois eletrodos - um cátodo e um ânodo - por meio de um eletrólito líquido. Quanto mais eficientemente os íons de lítio podem entrar nos dois eletrodos durante os ciclos de carga e descarga, maior será a capacidade da bateria.

p As baterias de íon de lítio existentes dependem de ânodos feitos de grafite, uma forma de carbono. Os anodos à base de silício, teoricamente, oferecem uma melhoria de capacidade dez vezes superior à do grafite, mas os ânodos à base de silício não têm sido estáveis ​​o suficiente para uso prático.

p Os ânodos de grafite usam partículas que variam em tamanho de 15 a 20 mícrons. Se as partículas de silício desse tamanho forem simplesmente substituídas pela grafite, a expansão e contração à medida que os íons de lítio entram e saem do silício cria rachaduras que rapidamente causam a falha do ânodo.

p O novo material nanocompósito resolve esse problema de degradação, potencialmente permitindo que os projetistas de baterias aproveitem as vantagens de capacidade do silício. Isso poderia facilitar uma saída de energia maior de um determinado tamanho de bateria - ou permitir que uma bateria menor produzisse a quantidade necessária de energia.

p "Na nanoescala, podemos ajustar as propriedades dos materiais com uma precisão muito melhor do que podemos em escalas de tamanho tradicionais, "disse Yushin." Este é um exemplo de onde ter técnicas de fabricação em nanoescala leva a melhores materiais. "

p As medições elétricas dos novos ânodos compostos em pequenas células tipo moeda mostraram que eles tinham uma capacidade mais de cinco vezes maior do que a capacidade teórica do grafite.

p A fabricação do ânodo composto começa com a formação de estruturas ramificadas altamente condutoras - semelhantes aos galhos de uma árvore - feitas de nanopartículas de negro de fumo recozidas em um forno tubular de alta temperatura. Nanoesferas de silício com diâmetros inferiores a 30 nanômetros são então formadas dentro das estruturas de carbono usando um processo de deposição de vapor químico. As estruturas compostas de silício-carbono lembram "maçãs penduradas em uma árvore".

p Usando carbono grafítico como um aglutinante eletricamente condutor, os compostos de silício-carbono são, então, automontados em esferas rígidas que se abrem, canais de poros internos interconectados. As esferas, formado em tamanhos que variam de 10 a 30 mícrons, são usados ​​para formar ânodos de bateria. O tamanho relativamente grande do pó composto - mil vezes maior do que as nanopartículas de silício individuais - permite o processamento fácil do pó para a fabricação do ânodo.

p Os canais internos nas esferas de silício-carbono têm dois propósitos. Eles admitem eletrólito líquido para permitir a entrada rápida de íons de lítio para carregamento rápido da bateria, e eles fornecem espaço para acomodar a expansão e contração do silício sem quebrar o ânodo. Os canais internos e partículas em escala nanométrica também fornecem caminhos curtos de difusão de lítio no ânodo, aumentando as características de energia da bateria.

p O tamanho das partículas de silício é controlado pela duração do processo de deposição de vapor químico e pela pressão aplicada ao sistema de deposição. O tamanho dos ramos da nanoestrutura de carbono e o tamanho das esferas de silício determinam o tamanho dos poros no compósito.

p A produção dos compósitos de silício-carbono pode ser ampliada como um processo contínuo passível de fabricação de pó de alto volume, Yushin disse. Como as esferas compostas finais são relativamente grandes quando são fabricadas em ânodos, a técnica de automontagem evita os riscos potenciais à saúde do manuseio de pós em nanoescala, ele adicionou.

p Uma vez fabricado, os ânodos nanocompósitos seriam usados ​​em baterias assim como as estruturas convencionais de grafite. Isso permitiria aos fabricantes de baterias adotar o novo material do ânodo sem fazer mudanças dramáticas nos processos de produção.

p Até aqui, os pesquisadores testaram o novo ânodo em mais de cem ciclos de carga-descarga. Yushin acredita que o material permaneceria estável por milhares de ciclos porque nenhum mecanismo de degradação se tornou aparente.

p “Se esta tecnologia pode oferecer um custo menor com base na capacidade, ou mais leve em comparação com as técnicas atuais, isso ajudará a avançar o mercado de baterias de lítio, "disse ele." Se formos capazes de produzir baterias menos caras e que durem muito tempo, isso também pode facilitar a adoção de muitas tecnologias "verdes", como veículos elétricos ou células solares. "