p (PhysOrg.com) - Envolvendo minúsculas partículas de enxofre em folhas de grafeno, pesquisadores da Universidade de Stanford sintetizaram um material catódico promissor para baterias recarregáveis ​​de lítio-enxofre que poderia ser usado para alimentar veículos elétricos em grande escala. Quando combinado com ânodos à base de silício, os novos cátodos de grafeno-enxofre podem levar a baterias recarregáveis ​​com uma densidade de energia significativamente maior do que é atualmente possível. p Os pesquisadores, liderado por Yi Cui e Hongjie Dai da Universidade de Stanford, publicaram seu estudo em uma edição recente da Nano Letras .

p Como os pesquisadores explicam em seu estudo, para alimentar veículos elétricos que sejam competitivos com os veículos movidos a gasolina, um dos maiores desafios é melhorar a densidade de energia e potência das baterias recarregáveis ​​de lítio. O ponto fraco das baterias é atualmente os materiais do cátodo, que têm capacidades específicas que são muito mais baixas do que as dos materiais do ânodo. (As capacidades específicas para materiais catódicos são cerca de 150 mAh / g para óxidos de camada e 170 mAh / g para LiFe-PO4, enquanto aqueles para materiais anódicos são 370 mAh / g para grafite e 4200 mAh / g para silício.)

p Para melhorar o cátodo, os pesquisadores se voltaram para o enxofre, que tem uma capacidade específica teórica de 1672 mAh / g, cerca de cinco vezes maior do que aqueles de materiais catódicos tradicionais. Embora o enxofre tenha outras vantagens, como baixo custo e impacto ambiental benigno, também tem algumas desvantagens. Por exemplo, enxofre é um mau condutor, ele se expande durante a descarga, e os polissulfetos se dissolvem no eletrólito. Juntos, esses problemas causam um ciclo de vida baixo, baixa capacidade específica, e baixa eficiência energética.

p Pesquisas anteriores mostraram que adicionar carbono ao enxofre pode aumentar a condutividade elétrica do enxofre. Mas embora vários compostos de carbono-enxofre tenham alcançado capacidades específicas de mais de 1000 mAh / g, seu ciclo de vida ainda é baixo; continua sendo um desafio reter essas altas capacidades por mais de 100 ciclos.

p “Desenvolvemos uma estratégia de embalagem de grafeno para superar muitos problemas relacionados ao uso de enxofre como cátodos de bateria de íon-lítio, ”Cui disse PhysOrg.com . “Mostramos um excelente desempenho no ciclismo.”

p Para alcançar este alto desempenho, os pesquisadores de Stanford fizeram alguns ajustes no enxofre. Primeiro, eles revestiram as partículas de enxofre submicrométricas com poli (etilenoglicol) (PEG) para reter os polissulfetos e evitar sua dissolução. O revestimento de PEG flexível também melhora o ciclo de vida acomodando a expansão do volume das partículas de enxofre durante a porção de descarga de cada ciclo. Próximo, os pesquisadores envolveram as partículas de enxofre revestidas com folhas de grafeno decoradas com nanopartículas de negro de fumo, o que melhora a condutividade do cátodo de enxofre. A camada de grafeno fracamente empacotada também retém polissulfetos e acomoda a expansão de volume do enxofre.

p “Este é um design de material muito racional para superar os problemas de dissolução de polissulfeto, ”Disse Hailiang Wang, autor principal do artigo.

p Os pesquisadores demonstraram que o cátodo de grafeno-enxofre resultante pode atingir altas capacidades específicas de 500-600 mAh / g por mais de 100 ciclos. O novo material do cátodo poderia ser usado para fabricar baterias recarregáveis ​​com uma densidade de energia mais alta do que outras baterias recarregáveis ​​atuais.

p “O enfraquecimento da capacidade é de apenas cerca de 10-15% para 100 ciclos, o que é muito emocionante, ”Disse o co-autor Yuan Yang, quem fez eletrodos e células no projeto.

p Contudo, antes que tais baterias possam ser fabricadas, os pesquisadores têm que lidar com a grande variabilidade de desempenho das baterias de lítio-enxofre que eles testaram neste estudo. Por exemplo, cerca de 30-50% das baterias tiveram uma degradação de 20-25% ao longo de 100 ciclos. No futuro, os pesquisadores esperam continuar a melhorar a proteção do enxofre para permitir o ciclo sem perdas.

p “No geral, os maiores desafios enfrentados pelas baterias recarregáveis ​​para veículos elétricos são aumentar a densidade de energia e reduzir o custo, ”Disse Cui. “Usar materiais de alta energia e baixo custo, como enxofre, é muito atraente.” p Copyright 2011 PhysOrg.com.
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