p (PhysOrg.com) - Os pesquisadores de Stanford usaram a nanotecnologia para inventar um cátodo de bateria de íon de lítio melhor. p O design das baterias recarregáveis ​​de íon de lítio atuais limita o uso de novas tecnologias, como carros elétricos e armazenamento de energia em escala de rede, porque eles não armazenam energia suficiente em relação ao seu volume e peso - ou, como os pesquisadores diriam, sua densidade de energia é muito baixa.

p Resolver esse problema é em grande parte uma questão de encontrar novos materiais para os eletrodos de bateria carregados positiva e negativamente, o cátodo e o ânodo.

p O grupo de pesquisa do inventor da bateria Yi Cui, professor associado de ciência e engenharia de materiais, usa nanotecnologia para fabricar materiais de eletrodo que melhoram muito a capacidade de armazenamento elétrico das baterias de íon de lítio. Em pesquisas anteriores, eles reinventaram ânodos de bateria, fabricando-os com nanofios de silício.

p Agora, Cui e seus alunos usaram nanofibras de carbono ocas revestidas de enxofre e um aditivo especial de eletrólito para melhorar a outra extremidade da bateria recarregável de íon de lítio, o cátodo. Os resultados foram publicados online em 14 de setembro no jornal Nano Letras .

p De acordo com Cui, colocar ânodos de nanofios de silício e cátodos de carbono revestidos de enxofre em uma bateria é a próxima geração de design de bateria.

p "Acredito fortemente que é uma escolha futura promissora para fazer baterias melhores, "Cui disse.

p "O enxofre é um dos materiais que pode oferecer uma capacidade de armazenamento de carga 10 vezes maior, mas com cerca de metade da voltagem da bateria existente, " ele disse.

p Tanto a capacidade de carga quanto a voltagem afetam a quantidade de energia que uma bateria pode fornecer. Com o cátodo de enxofre como parte de uma bateria completa, a maior capacidade de carga torna possível construir uma bateria com quatro a cinco vezes mais armazenamento de energia em comparação com a tecnologia de bateria de íon de lítio existente.

p As baterias de lítio-enxofre têm recebido atenção devido ao baixo custo e à não toxicidade do enxofre. Contudo, as gerações anteriores de cátodos de enxofre de lítio não eram viáveis ​​para comercialização porque falham rapidamente devido a carregamentos e recargas repetidos.

p A nova fabricação de cátodo resolve uma série de problemas materiais que, Cui disse, "somados representam um grande desafio para fazer com que esse material funcione como uma bateria viável."

p Em projetos anteriores de cátodo de lítio-enxofre, o enxofre é revestido em estruturas de carbono relativamente abertas. Isso é um problema porque expõe o enxofre à solução eletrolítica da bateria. Quando produtos intermediários de reação chamados polissulfetos de lítio entram em contato com a solução eletrolítica, eles reduzem a capacidade da bateria dissolvendo-se no eletrólito.

p Como estudante de graduação de Cui, Wesley Guangyuan Zheng, explicado, "Isso pode ser conflitante porque, por um lado, não queremos uma grande área de superfície em contato com o enxofre e o eletrólito, e, por outro lado, queremos uma grande área de superfície para condutividades elétricas e iônicas. "

p O novo design resolve o conflito com um processo de fabricação exclusivo que permite que o enxofre cubra o interior de uma nanofibra de carbono oca, mas não do lado de fora. Este processo de fabricação depende de um novo uso de uma tecnologia de filtro disponível comercialmente que é normalmente aplicada à filtração de água.

p O novo design do cátodo também melhora a capacidade da bateria porque tem uma estrutura quase fechada que evita que os polissulfetos vazem significativamente para a solução eletrolítica. O comprimento de uma nanofibra oca é cerca de 300 vezes seu diâmetro; os canais longos e estreitos evitam que os polissulfetos vazem.

p Além dos ganhos de armazenamento de energia obtidos com a fabricação aprimorada de nanofibras de carbono oco de enxofre, O aluno de pós-graduação de Cui, Yuan Yang, incluiu um aditivo eletrolítico que aumenta a carga da bateria e a eficiência energética, conhecida como eficiência coulômbica.

p "Sem o aditivo, você coloca 100 elétrons na bateria e obtém 85. Com o aditivo, você tira 99, "Cui disse.

p "Para projetar a melhor estrutura, precisamos do projeto do eletrodo e do aditivo de eletrólito e esses dois combinados podem fornecer a você uma alta capacidade e alta eficiência coulômbica, "Cui disse." Agora temos alta capacidade em ambos os lados do eletrodo; isso é emocionante. "