(PhysOrg.com) - Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA ajudaram a descobrir a estrutura em nanoescala de uma nova forma de carbono, contribuindo para a explicação de por que esse novo material atua como uma esponja superabsorvente quando se trata de absorver carga elétrica. O material, que foi recentemente criado na Universidade do Texas - Austin, pode ser incorporado em dispositivos de armazenamento de energia "supercapacitor" com capacidade de armazenamento notavelmente alta, mantendo outros atributos atrativos, como liberação de energia super rápida, tempo de recarga rápida, e uma vida útil de pelo menos 10, 000 ciclos de carga / descarga.

"Essas propriedades tornam esta nova forma de carbono particularmente atraente para atender às necessidades de armazenamento de energia elétrica que também requerem uma liberação rápida de energia - por exemplo, em veículos elétricos ou para suavizar a disponibilidade de energia de fontes de energia intermitentes, como energia eólica e solar, "disse o cientista de materiais de Brookhaven Eric Stach, um co-autor em um artigo que descreve o material publicado em Ciência em 12 de maio, 2011

Os supercapacitores são semelhantes às baterias, pois ambos armazenam carga elétrica. As baterias fazem isso por meio de reações químicas entre eletrodos metálicos e um eletrólito líquido. Como esses produtos químicos demoram para reagir, a energia é armazenada e liberada de forma relativamente lenta. Mas as baterias podem armazenar muita energia e liberá-la por um longo tempo.

Supercapacitores, por outro lado, armazenar carga na forma de íons na superfície dos eletrodos, semelhante à eletricidade estática, em vez de depender de reações químicas. Carregar os eletrodos faz com que os íons no eletrólito se separem, ou polarizar, também - assim, a carga é armazenada na interface entre os eletrodos e o eletrólito. Poros no eletrodo aumentam a área de superfície sobre a qual o eletrólito pode fluir e interagir - aumentando a quantidade de energia que pode ser armazenada.

Mas, como a maioria dos supercapacitores não consegue segurar quase tanta carga quanto as baterias, seu uso foi limitado a aplicações onde pequenas quantidades de energia são necessárias rapidamente, ou onde um longo ciclo de vida é essencial, como em dispositivos eletrônicos móveis.

O novo material desenvolvido pelos pesquisadores da UT-Austin pode mudar isso. Supercapacitores feitos a partir dele têm uma capacidade de armazenamento de energia, ou densidade de energia, que está se aproximando da densidade de energia das baterias de chumbo-ácido, ao mesmo tempo em que mantém a densidade de alta potência - isto é, liberação rápida de energia - característica dos supercondensadores.

“Este novo material combina os atributos de ambos os sistemas de armazenamento elétrico, "disse o líder da equipe da Universidade do Texas, Rodney Ruoff." Ficamos bastante surpresos com seu desempenho excepcional. "

A equipe da UT-Austin se propôs a criar uma forma mais porosa de carbono usando hidróxido de potássio para reestruturar plaquetas de grafeno quimicamente modificadas - uma forma de carbono em que os átomos são agrupados em anéis semelhantes a ladrilhos dispostos de forma plana para formar um único átomo de espessura lençóis. Essa "ativação química" foi usada anteriormente para criar várias formas de "carvão ativado, "que têm poros que aumentam a área de superfície e são usados ​​em filtros e outras aplicações, incluindo supercondensadores.

Mas porque esta nova forma de carbono era tão superior às outras usadas em supercapacitores, os pesquisadores da UT-Austin sabiam que precisariam caracterizar sua estrutura em nanoescala.

Ruoff formou a hipótese de que o material consistia em uma rede porosa tridimensional contínua com paredes de um átomo de espessura, com uma fração significativa sendo "carbono de curvatura negativa, "semelhantes aos fulerenos de dentro para fora. Ele pediu ajuda a Stach, em Brookhaven, em uma caracterização estrutural adicional para verificar ou refutar essa hipótese.

O colega de Stach e Brookhaven Dong Su conduziram uma ampla gama de estudos no Centro de Nanomateriais Funcionais do Laboratório (CFN), a Fonte de Luz Síncrotron Nacional (NSLS), e no National Center for Electron Microscopy do Lawrence Berkeley National Laboratory, todas as três instalações apoiadas pelo DOE Office of Science. "Nos laboratórios do DOE, temos os microscópios de maior resolução do mundo, então realmente avançamos na caracterização da estrutura atômica, "Stach disse.

"Nossos estudos revelaram que a hipótese de Ruoff estava de fato correta, e que a estrutura em nanoescala tridimensional do material consiste em uma rede altamente curva, paredes de um átomo de espessura formando poros minúsculos com larguras que variam de 1 a 5 nanômetros, ou bilionésimos de metro. "

O estudo inclui imagens detalhadas da estrutura dos poros finos e das próprias paredes de carbono, bem como imagens que mostram como esses detalhes se encaixam no quadro geral. "Os dados do NSLS foram cruciais para mostrar que nossa caracterização altamente local era representativa do material geral, "Stach disse.

"Ainda estamos trabalhando com Ruoff e sua equipe para reunir uma descrição completa da estrutura do material. Também estamos adicionando estudos computacionais para nos ajudar a entender como essa rede tridimensional se forma, para que possamos adaptar os tamanhos dos poros para serem ideais para aplicações específicas, incluindo armazenamento capacitivo, catálise, e células de combustível, "Stach disse.

Enquanto isso, os cientistas dizem que as técnicas de processamento usadas para criar a nova forma de carbono são facilmente escaláveis ​​para a produção industrial. "Este material - sendo tão facilmente fabricado a partir de um dos elementos mais abundantes do universo - terá uma ampla gama de impactos na pesquisa e tecnologia, tanto no armazenamento de energia quanto na conversão de energia, "Ruoff disse.