Um pouco de cera e sabão pode ajudar a construir eletrodos para baterias de íon de lítio mais baratas, de acordo com um estudo publicado na edição de 11 de agosto da Nano Letras . O método de uma etapa permitirá que os desenvolvedores de baterias explorem alternativas de baixo custo para as baterias de íon de lítio-óxido metálico atualmente no mercado.

"A parafina fornece um meio para cultivar bons materiais de eletrodo, "disse o cientista de materiais Daiwon Choi, do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, do Departamento de Energia." Este método ajudará os pesquisadores a investigar materiais catódicos baseados em metais de transição mais baratos, como manganês ou ferro. "

Os consumidores usam baterias recarregáveis ​​de íon de lítio de longa duração em tudo, desde telefones celulares até o mais recente dispositivo portátil. Algumas montadoras querem usá-los em veículos. A maioria das baterias de íon de lítio disponíveis hoje são projetadas com um óxido de metal, como cobalto, níquel, ou manganês. Choi e colegas do PNNL e da State University of New York em Binghamton queriam explorar os metais mais baratos e o fosfato mais estável no lugar do óxido.

The Recharge Tale

Essas baterias recarregáveis ​​funcionam porque o lítio é egoísta e deseja seu próprio elétron. Íons de lítio carregados positivamente normalmente ficam em óxido de metal, O estabulo, eletrodo positivo em baterias. O óxido de metal compartilha generosamente seus elétrons com os íons de lítio.

Carregar com eletricidade bombeia elétrons para o eletrodo negativo, e quando os íons de lítio veem as cargas negativas flutuantes na bateria, eles são atraídos para a vida longe da gaiola de óxido de metal. Então, vamos embora os íons de lítio, abandonando o óxido de metal e seus elétrons compartilhados para passar o tempo desfrutando de seus próprios elétrons.

Mas o caso não dura - usar a bateria em um dispositivo eletrônico cria um conduíte pelo qual os elétrons escorregadios podem fluir. Perdendo seus elétrons, os íons de lítio voltam para o óxido de metal sempre à espera. A recarga recomeça todo o processo sórdido.

Mais barato, Mais estável

Embora o óxido de cobalto tenha um bom desempenho em baterias de lítio, o cobalto e o níquel são mais caros do que o manganês ou o ferro. Além disso, substituir óxido por fosfato fornece uma estrutura mais estável para o lítio.

Baterias de fosfato de ferro-lítio estão disponíveis comercialmente em algumas ferramentas elétricas e produtos solares, mas a síntese do material do eletrodo é complicada. Choi e seus colegas queriam desenvolver um método simples para transformar o fosfato de metal de lítio em um bom eletrodo.

Fosfato de lítio manganês - LMP - pode teoricamente armazenar algumas das maiores quantidades de energia das baterias recarregáveis, pesando 171 horas milliAmp por grama de material. A alta capacidade de armazenamento permite que as baterias sejam leves. Mas outros pesquisadores que trabalham com LMP nem mesmo conseguiram extrair 120 miliampères horas por grama até agora com o material que sintetizaram.

Choi argumentou que a perda de 30 por cento na capacidade poderia ser devido ao lítio e os elétrons terem que lutar para abrir caminho através do óxido de metal, uma propriedade chamada resistência. Quanto menor a distância que o lítio e os elétrons têm que viajar para fora do cátodo, ele pensou, quanto menos resistência e mais eletricidade poderia ser armazenada. Uma partícula menor diminuiria essa distância.

Mas o crescimento de partículas menores requer temperaturas mais baixas. Infelizmente, temperaturas mais baixas significam que as moléculas de óxido de metal não se alinham bem nos cristais. A aleatoriedade é inadequada para materiais catódicos, então os pesquisadores precisavam de uma estrutura na qual os ingredientes - lítio, manganês e fosfato - poderiam se organizar em cristais perfeitos.

Wax On, Wax Off

A cera de parafina é feita de moléculas longas e retas que não reagem muito, e as moléculas longas podem ajudar a alinhar as coisas. O sabão - um surfactante chamado ácido oleico - pode ajudar os cristais em crescimento a se dispersarem uniformemente.

Então, Choi e seus colegas misturaram os ingredientes do eletrodo com parafina derretida e ácido oleico e deixaram os cristais crescerem enquanto aumentavam lentamente a temperatura. Por 400 graus Celsius (quatro vezes a temperatura da água fervente), cristais se formaram e a cera e o sabão evaporaram. Os cientistas de materiais geralmente fortalecem os metais submetendo-os a altas temperaturas, então a equipe aumentou ainda mais a temperatura para fundir os cristais em um prato.

"Este método é muito mais simples do que outras maneiras de fazer catodos de fosfato de manganês de lítio, "disse Choi." Outros grupos têm uma complicada, processo de várias etapas. Misturamos todos os componentes e aquecemos. "

Para medir o tamanho das placas minúsculas, a equipe usou um microscópio eletrônico de transmissão em EMSL, Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais do DOE no campus PNNL. De perto, pequeno, retângulos finos apareciam em todas as direções. As nanoplacas mediam cerca de 50 nanômetros de espessura - cerca de mil vezes mais finas que um fio de cabelo humano - e até 2.000 nanômetros de lado. Outras análises mostraram que o crescimento do cristal era adequado para eletrodos.

Para testar o LMP, a equipe separou as nanoplacas umas das outras e adicionou um suporte de carbono condutor, que serve como eletrodo positivo. A equipe testou quanta eletricidade o material poderia armazenar após carregar e descarregar rápida ou lentamente.

Quando os pesquisadores carregaram as nanoplacas lentamente ao longo de um dia e depois as descarregaram com a mesma lentidão, a minibateria LMP armazenava um pouco mais de 150 miliamperes horas por grama de material, mais alto do que outros pesquisadores foram capazes de atingir. Mas quando a bateria foi descarregada rapidamente - digamos, dentro de uma hora, que caiu para cerca de 117, comparável a outro material.

Seu melhor desempenho atingiu o máximo teórico de 168 miliamperes horas por grama, quando foi carregado lentamente e descarregado ao longo de dois dias. Carregar e descarregar em uma hora - uma meta razoável para uso em produtos eletrônicos de consumo - permitiu que ele armazenasse míseros 54 miliamperes-hora por grama.

Embora esta versão de uma bateria LMP carregue mais lentamente do que outros materiais de cátodo, Choi disse que a verdadeira vantagem deste trabalho é que o fácil, O método de uma etapa permitirá que eles explorem uma grande variedade de materiais baratos que tradicionalmente têm sido difíceis de trabalhar no desenvolvimento de baterias recarregáveis ​​de íon de lítio.

No futuro, a equipe vai mudar a forma como eles incorporam o revestimento de carbono nas nanoplacas LMP, o que pode melhorar suas taxas de carga e descarga.