p As baterias podem ganhar um aumento na capacidade de energia como resultado de uma nova descoberta de pesquisadores do MIT. Eles descobriram que o uso de nanotubos de carbono para um dos eletrodos da bateria produziu um aumento significativo - de até dez vezes - na quantidade de energia que poderia fornecer a partir de um determinado peso de material, em comparação com uma bateria de íon de lítio convencional. Esses eletrodos podem encontrar aplicações em pequenos dispositivos portáteis, e com mais pesquisas também pode levar a baterias melhores para maiores, aplicativos que consomem mais energia. p Para produzir o novo e poderoso material de eletrodo, a equipe usou um método de fabricação camada por camada, em que um material de base é alternadamente mergulhado em soluções contendo nanotubos de carbono que foram tratados com compostos orgânicos simples que lhes dão uma carga líquida positiva ou negativa. Quando essas camadas são alternadas em uma superfície, eles se unem fortemente por causa das taxas complementares, fazendo um filme estável e durável.

p As evidências, por uma equipe liderada pelo Professor Associado de Engenharia Mecânica e Ciência e Engenharia de Materiais Yang Shao-Horn, em colaboração com a Professora de Engenharia Química da Bayer, Paula Hammond, são relatados em um artigo publicado em 20 de junho na revista Nature Nanotechnology . Os autores principais são o estudante de engenharia química Seung Woo Lee PhD '10 e o pesquisador de pós-doutorado Naoaki Yabuuchi.

p Baterias, como as baterias de íon-lítio amplamente utilizadas em eletrônicos portáteis, são compostos de três componentes básicos:dois eletrodos (chamados de ânodo, ou eletrodo negativo, e o cátodo, ou eletrodo positivo) separados por um eletrólito, um material eletricamente condutor através do qual partículas carregadas, ou íons, pode mover-se facilmente. Quando essas baterias estão em uso, íons de lítio carregados positivamente viajam através do eletrólito para o cátodo, produzir uma corrente elétrica; quando eles são recarregados, uma corrente externa faz com que esses íons se movam na direção oposta, assim, eles ficam embutidos nos espaços no material poroso do ânodo.

p No novo eletrodo da bateria, nanotubos de carbono - uma forma de carbono puro em que folhas de átomos de carbono são enroladas em tubos minúsculos - "se auto-montam" em uma estrutura fortemente ligada que é porosa na escala nanométrica (bilionésimos de um metro). Além disso, os nanotubos de carbono têm muitos grupos de oxigênio em suas superfícies, que pode armazenar um grande número de íons de lítio; isso permite que os nanotubos de carbono, pela primeira vez, sirvam como eletrodo positivo em baterias de lítio, em vez de apenas o eletrodo negativo.

p Este processo de "automontagem eletrostática" é importante, Hammond explica, porque normalmente os nanotubos de carbono em uma superfície tendem a se agrupar em feixes, deixando menos superfícies expostas para sofrer reações. Ao incorporar moléculas orgânicas nos nanotubos, eles se montam de uma forma que "tem um alto grau de porosidade, embora tenha um grande número de nanotubos presentes, " ela diz.

p As baterias de lítio com o novo material demonstram algumas das vantagens de ambos os capacitores, que pode produzir saídas de alta potência em rajadas curtas, e baterias de lítio, que pode fornecer energia mais baixa de forma constante por longos períodos, Lee diz. A produção de energia para um determinado peso deste novo material de eletrodo mostrou ser cinco vezes maior do que para capacitores convencionais, e a taxa total de entrega de energia foi 10 vezes maior do que as baterias de íon-lítio, a equipe diz. Este desempenho pode ser atribuído à boa condução de íons e elétrons no eletrodo, e armazenamento eficiente de lítio na superfície dos nanotubos.

p Além de sua alta potência, os eletrodos de nanotubo de carbono mostraram uma estabilidade muito boa ao longo do tempo. Depois de 1, 000 ciclos de carga e descarga de uma bateria de teste, não houve mudança detectável no desempenho do material.

p Os eletrodos produzidos pela equipe tinham espessuras de até alguns mícrons, e as melhorias no fornecimento de energia só foram vistas em níveis de saída de alta potência. Em trabalho futuro, a equipe tem como objetivo produzir eletrodos mais grossos e estender o desempenho aprimorado para saídas de baixa potência também, eles dizem. Em sua forma atual, o material pode ter aplicações para pequenas, dispositivos eletrônicos portáteis, diz Shao-Horn, mas se a capacidade de alta potência relatada fosse demonstrada em uma forma muito mais espessa - com espessuras de centenas de mícrons em vez de apenas alguns - poderia eventualmente ser adequada para outras aplicações, como carros híbridos.

p Embora o material do eletrodo tenha sido produzido mergulhando alternadamente um substrato em duas soluções diferentes - um processo relativamente demorado - Hammond sugere que o processo poderia ser modificado pulverizando as camadas alternadas em uma fita móvel de material, uma técnica que agora está sendo desenvolvida em seu laboratório. Isso poderia eventualmente abrir a possibilidade de um processo de manufatura contínuo que poderia ser ampliado para grandes volumes para a produção comercial, e também pode ser usado para produzir eletrodos mais grossos com uma maior capacidade de energia. "Não há um limite real" na espessura potencial, Hammond diz. "O único limite é o tempo que leva para fazer as camadas, "e a técnica de pulverização pode ser até 100 vezes mais rápida do que a imersão, ela diz.

p Lee diz que embora os nanotubos de carbono tenham sido produzidos em quantidades limitadas até agora, várias empresas estão atualmente se preparando para a produção em massa do material, o que poderia ajudar a torná-lo um material viável para a fabricação de baterias em grande escala.