p Um tipo inteiramente novo de nanomaterial desenvolvido no Rensselaer Polytechnic Institute poderia permitir a próxima geração de baterias de íons de lítio recarregáveis ​​de alta potência para automóveis elétricos, bem como baterias para laptops, celulares, e outros dispositivos portáteis. p O novo material, apelidado de "nanoscoop" porque seu formato lembra um cone com uma bola de sorvete no topo, pode suportar taxas extremamente altas de carga e descarga que fariam com que os eletrodos convencionais usados ​​nas baterias de íon de lítio atuais se deteriorassem rapidamente e falhassem. O sucesso do nanoscoop reside em sua composição de material única, estrutura, e tamanho.

p A equipe de pesquisa Rensselaer, liderado pelo professor Nikhil Koratkar, demonstrou como um eletrodo nanoscoop pode ser carregado e descarregado a uma taxa de 40 a 60 vezes mais rápido do que ânodos de bateria convencionais, enquanto mantém uma densidade de energia comparável. Este desempenho estelar, que foi alcançado em 100 ciclos contínuos de carga / descarga, tem a equipe confiante de que sua nova tecnologia possui um potencial significativo para o design e realização de alta potência, baterias recarregáveis ​​de íon de lítio de alta capacidade.

p "Carregando meu laptop ou telefone celular em alguns minutos, ao invés de uma hora, parece muito bom para mim, "disse Koratkar, um professor do Departamento de Mecânica, Aeroespacial, e Engenharia Nuclear em Rensselaer. "Ao usar nossos nanoscoops como a arquitetura do ânodo para baterias recarregáveis ​​de íon-lítio, esta é uma perspectiva muito real. Além disso, essa tecnologia poderia ser aumentada para atender às necessidades exigentes de baterias para automóveis elétricos. "

p Baterias para veículos totalmente elétricos devem fornecer altas densidades de energia, além de altas densidades de energia, Disse Koatkar. Esses veículos hoje usam supercapacitores para executar funções de uso intensivo de energia, como dar partida no veículo e aceleração rápida, em conjunto com baterias convencionais que fornecem alta densidade de energia para cruzeiro normal e outras operações. Koratkar disse que a invenção dos nanoscoops pode permitir que esses dois sistemas separados sejam combinados em um único, unidade de bateria mais eficiente.

p Os resultados do estudo foram detalhados no artigo "Nanoscoops funcionalmente graduados por deformação para ânodos de bateria de íons de lítio de alta potência, "publicado quinta-feira pelo jornal Nano Letras .

p A estrutura do ânodo de uma bateria de íon de lítio aumenta e diminui fisicamente à medida que a bateria é carregada ou descarregada. Ao carregar, a adição de íons Li aumenta o volume do ânodo, enquanto a descarga tem o efeito oposto. Essas mudanças de volume resultam em um acúmulo de tensão no ânodo. Um estresse muito grande que se acumula muito rapidamente, como no caso de uma bateria carregando ou descarregando em alta velocidade, pode fazer com que a bateria falhe prematuramente. É por isso que a maioria das baterias dos dispositivos eletrônicos portáteis de hoje, como telefones celulares e laptops, carregam muito lentamente - a taxa de carga lenta é intencional e projetada para proteger a bateria de danos induzidos por estresse.

p O nanoscoop da equipe Rensselaer, Contudo, foi projetado para suportar esse acúmulo de estresse. Feito de uma base de nanobastão de carbono (C) coberta com uma fina camada de alumínio em nanoescala (Al) e uma "concha" de silício em nanoescala (Si), as estruturas são flexíveis e capazes de aceitar e descarregar íons de lítio rapidamente em taxas extremamente rápidas sem sofrer danos significativos. A estrutura segmentada do nanoscoop permite que a cepa seja gradualmente transferida da base C para a camada de Al, e, finalmente, para o furo de Si. Esta gradação natural de deformação fornece uma transição menos abrupta na tensão entre as interfaces do material, levando a uma integridade estrutural melhorada do eletrodo.

p O tamanho da concha em nanoescala também é vital, uma vez que as nanoestruturas são menos propensas a rachar do que os materiais a granel, de acordo com Koratkar.

p "Devido ao seu tamanho em nanoescala, nossos nanoscoops podem absorver e liberar Li em altas taxas com muito mais eficácia do que os ânodos em macroescala usados ​​nas baterias de íon de lítio de hoje, "disse ele." Isso significa que nosso nanoscoop pode ser a solução para um problema crítico enfrentado pelas empresas automotivas e outros fabricantes de baterias - como você pode aumentar a densidade de energia de uma bateria e ainda mantê-la alta? "

p Uma limitação da arquitetura nanoscoop é a massa total relativamente baixa do eletrodo, Koratkar disse. Para resolver isso, os próximos passos da equipe são tentar cultivar colheres maiores com maior massa, ou desenvolver um método para empilhar camadas de nanoscoops umas sobre as outras. Outra possibilidade que a equipe está explorando inclui o cultivo de nanoscoops em grandes substratos flexíveis que podem ser enrolados ou moldados para se ajustarem aos contornos ou chassis do automóvel.