p (PhysOrg.com) - Tem todas as aparências de um avanço na tecnologia de baterias, exceto que não é uma bateria. Pesquisadores da Nanotek Instruments, Inc., e sua subsidiária Angstron Materials, Inc., em Dayton, Ohio, desenvolveram um novo paradigma para projetar dispositivos de armazenamento de energia que se baseia no transporte rápido de um grande número de íons de lítio entre eletrodos com superfícies massivas de grafeno. O dispositivo de armazenamento de energia pode ser extremamente útil para veículos elétricos, onde poderia reduzir o tempo de recarga de horas para menos de um minuto. Outras aplicações podem incluir armazenamento de energia renovável (por exemplo, armazenamento de energia solar e eólica) e redes inteligentes. p Os pesquisadores chamam os novos dispositivos de "células de troca iônica de lítio habilitadas para a superfície de grafeno, "ou mais simplesmente, "células mediadas por superfície" (SMCs). Embora os dispositivos atualmente usem materiais e configurações não otimizados, eles já podem superar as baterias de íon-lítio e supercapacitores. Os novos dispositivos podem fornecer uma densidade de potência de 100 kW / kgcell, que é 100 vezes maior do que o das baterias comerciais de íon-lítio e 10 vezes maior do que o dos supercapacitores. Quanto maior a densidade de potência, mais rápida a taxa de transferência de energia (resultando em um tempo de recarga mais rápido). Além disso, as novas células podem armazenar uma densidade de energia de 160 Wh / kgcell, que é comparável às baterias de íon de lítio comerciais e 30 vezes maior do que os supercapacitores convencionais. Quanto maior a densidade de energia, mais energia o dispositivo pode armazenar para o mesmo volume (resultando em uma autonomia maior para veículos elétricos).

p “Dado o mesmo peso do dispositivo, o SMC atual e a bateria de íon-lítio podem fornecer um veículo elétrico (EV) com uma autonomia comparável, ”Bor Z. Jang, co-fundador da Nanotek Instruments e Angstron Materials, contado PhysOrg.com . “Nossos SMCs, assim como as baterias de íon de lítio atuais, pode ser melhorado ainda mais em termos de densidade de energia [e, portanto, alcance]. Contudo, em princípio, o SMC pode ser recarregado em minutos (possivelmente menos de um minuto), em oposição às horas para baterias de íon-lítio usadas em EVs atuais. ”

p Jang e seus co-autores na Nanotek Instruments e Angstron Materials publicaram o estudo sobre os dispositivos de armazenamento de energia de próxima geração em uma edição recente da Nano Letras . Ambas as empresas são especializadas na comercialização de nanomateriais, com Angstron sendo o maior produtor mundial de plaquetas de nano grafeno (NGPs).

p Como os pesquisadores explicam em seu estudo, baterias e supercondensadores têm seus respectivos pontos fortes e fracos quando se trata de armazenamento de energia. Enquanto as baterias de íon-lítio fornecem uma densidade de energia muito maior (120-150 Wh / kg _célula ) do que os supercondensadores (5 Wh / kg _célula ), as baterias fornecem uma densidade de potência muito menor (1 kW / kg _célula em comparação com 10 kW / kg _célula ) Muitos grupos de pesquisa têm feito esforços para aumentar a densidade de energia das baterias de íons de lítio e aumentar a densidade de energia dos supercapacitores, mas ambas as áreas ainda têm desafios significativos. Ao fornecer uma estrutura fundamentalmente nova para dispositivos de armazenamento de energia, os SMCs poderiam permitir que os pesquisadores contornassem esses desafios.

p “O desenvolvimento desta nova classe de dispositivos de armazenamento de energia preenche a lacuna de desempenho entre uma bateria de íon-lítio e um supercapacitor, ”Jang disse. “Mais significativamente, esta estrutura fundamentalmente nova para a construção de dispositivos de armazenamento de energia pode permitir que os pesquisadores alcancem a alta densidade de energia e a alta densidade de potência sem ter que sacrificar uma para alcançar a outra. ”

p A chave para o desempenho dos SMCs é um cátodo e ânodo que contêm superfícies de grafeno muito grandes. Ao fabricar a célula, os pesquisadores colocaram o metal de lítio (na forma de partículas ou folha) no ânodo. Durante o primeiro ciclo de descarga, o lítio é ionizado, resultando em um número muito maior de íons de lítio do que em baterias de íon de lítio. À medida que a bateria é usada, os íons migram através de um eletrólito líquido para o cátodo, onde os íons entram nos poros e alcançam a grande superfície de grafeno dentro do cátodo. Durante a recarga, um fluxo maciço de íons de lítio migra rapidamente do cátodo para o ânodo. As grandes áreas de superfície dos eletrodos permitem o transporte rápido de um grande número de íons entre os eletrodos, resultando em suas altas densidades de potência e energia.

p Como explicam os pesquisadores, a troca de íons de lítio entre as superfícies dos eletrodos porosos (e não na massa do eletrodo, como nas baterias) elimina completamente a necessidade do demorado processo de intercalação. Nesse processo, os íons de lítio devem ser inseridos dentro dos eletrodos, que domina o tempo de carregamento das baterias.

p Embora neste estudo os pesquisadores prepararam diferentes tipos de grafeno (oxidado, e reduzida camada única e multicamada) de uma variedade de diferentes tipos de grafite, uma análise mais aprofundada dos materiais e da configuração é necessária para otimizar o dispositivo. Por uma coisa, os pesquisadores planejam investigar mais a fundo o ciclo de vida das células. Até aqui, eles descobriram que os dispositivos podiam manter 95% da capacidade após 1, 000 ciclos, e mesmo depois de 2, 000 ciclos não mostraram evidências de formação de dendritos. Os pesquisadores também planejam investigar os papéis relativos dos diferentes mecanismos de armazenamento de lítio no desempenho do dispositivo.

p “Não prevemos nenhum grande obstáculo à comercialização da tecnologia SMC, ”Jang disse. “Embora o grafeno seja atualmente vendido a um preço premium, Materiais Angstron, Inc., está ativamente empenhada em aumentar a capacidade de produção de grafeno. Espera-se que os custos de produção do grafeno sejam drasticamente reduzidos nos próximos 1-3 anos. ” p Copyright 2011 PhysOrg.com.
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