Uma equipe de cientistas da Rice University e da Lockheed Martin descobriu uma maneira de usar silício simples para aumentar radicalmente a capacidade das baterias de íons de lítio.

Sibani Lisa Biswal, professor assistente de engenharia química e biomolecular, revelou como ela, colega Michael Wong, um professor de engenharia química e biomolecular e de química, e Steven Sinsabaugh, um companheiro Lockheed Martin, estão aumentando a capacidade inerente do silício de absorver íons de lítio.

Seu trabalho foi apresentado hoje na Conferência de Descoberta de Buckyball de Rice, parte de uma celebração de um ano do 25º aniversário da descoberta do ganhador do Prêmio Nobel do buckminsterfullerene, ou carbono 60, molécula. ( PhysOrg.com é um patrocinador oficial de mídia do evento ) Pode se tornar um componente chave para baterias de carros elétricos e armazenamento de energia de grande capacidade, eles disseram.

"O ânodo, ou negativo, lado das baterias de hoje é feito de grafite, que funciona. Está em toda parte, "Wong disse." Mas está no limite. Você não pode colocar mais lítio na grafite do que já temos. "

O silício tem a maior capacidade teórica de qualquer material para armazenar lítio, mas há uma séria desvantagem em seu uso. "Pode absorver muito lítio, cerca de 10 vezes mais do que o carbono, o que parece fantástico, "Wong disse." Mas depois de alguns ciclos de inchaço e encolhimento, vai estalar. "

Outros laboratórios tentaram resolver o problema com tapetes de nanofios de silício que absorvem o lítio como um esfregão absorve água, mas a equipe do Rice adotou uma abordagem diferente.

Com Mahduri Thakur, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular de Rice, e Mark Isaacson da Lockheed Martin, Biswal, Wong e Sinsabaugh descobriram que colocar poros de tamanho mícron na superfície de uma pastilha de silício dá ao material espaço suficiente para se expandir. Embora as baterias de íon de lítio comuns armazenem cerca de 300 miliamperes-hora por grama de material anódico à base de carbono, eles determinaram que o silício tratado poderia teoricamente armazenar mais de 10 vezes essa quantidade.

Sinsabaugh descreveu o avanço como um dos primeiros frutos do Centro de Excelência em Nanotecnologia Avançada da Lockheed Martin em Rice (LANCER). Ele disse que o projeto começou há três anos, quando ele conheceu Biswal no Rice e comparou notas. "Ela estava trabalhando em silício poroso, e eu sabia que nanoestruturas de silício estavam sendo analisadas para anodos de bateria. Colocamos dois e dois juntos, " ele disse.

Os nanoporos são mais simples de criar do que os nanofios de silício, Biswal disse. Os poros, um mícron de largura e de 10 a 50 mícrons de comprimento, forma quando uma carga positiva e negativa é aplicada às laterais de uma pastilha de silício, que é então banhado em um solvente fluorídrico. "Os átomos de hidrogênio e flúor se separam, "disse ela." O flúor ataca um lado do silício, formando os poros. Eles se formam verticalmente por causa do viés positivo e negativo. "

O silício tratado, ela disse, "parece queijo suíço."

O processo simples o torna altamente adaptável para fabricação, ela disse. “Não exigimos algumas das difíceis etapas de processamento que eles executam - altos vácuos e a necessidade de lavar os nanotubos. A corrosão em massa é muito mais simples de processar.

"A outra vantagem é que vimos tempos de vida bastante longos. Nossas baterias atuais têm 200-250 ciclos, muito mais do que baterias de nanofios, "disse Biswal.

Eles disseram que colocar poros em silício requer um verdadeiro ato de equilíbrio, quanto mais espaço é dedicado aos furos, quanto menos material estiver disponível para armazenar lítio. E se o silício se expandir até o ponto em que as paredes dos poros se tocam, o material pode se degradar.

Os pesquisadores estão confiantes de que barato, Silício abundante combinado com facilidade de manufatura pode ajudar a levar sua ideia para a corrente principal.

“Estamos muito entusiasmados com o potencial deste trabalho, "Sinsabaugh disse." Este material tem o potencial de aumentar significativamente o desempenho das baterias de íon-lítio, que são usados ​​em uma ampla gama de comerciais, aplicações militares e aeroespaciais

Biswal e Wong planejam estudar o mecanismo pelo qual o silício absorve o lítio e como e por que ele se decompõe. "Nosso objetivo é desenvolver um modelo da cepa que o silício sofre na ciclagem de lítio, "Wong disse." Assim que entendermos isso, teremos uma ideia muito melhor de como maximizar seu potencial. "