p Pesquisadores de engenharia do Rensselaer Polytechnic Institute fizeram uma folha de papel com o material mais fino do mundo, grafeno, e, em seguida, eletrocutou o papel com um laser ou flash de câmera para mancha-lo com incontáveis ​​rachaduras, poros, e outras imperfeições. O resultado é um material de ânodo de grafeno que pode ser carregado ou descarregado 10 vezes mais rápido do que os ânodos de grafite convencionais usados ​​nas baterias de íons de lítio (Li) atuais. p As baterias recarregáveis ​​de íon de lítio são o padrão da indústria para telefones celulares, laptops e tablets, carros elétricos, e uma variedade de outros dispositivos. Embora as baterias de íon-lítio tenham alta densidade de energia e possam armazenar grandes quantidades de energia, eles sofrem de baixa densidade de potência e são incapazes de aceitar ou descarregar energia rapidamente. Essa baixa densidade de energia é o motivo pelo qual leva cerca de uma hora para carregar a bateria do seu celular ou laptop, e por que os motores elétricos de automóveis não podem depender apenas de baterias e requerem um supercapacitor para funções de alta potência, como aceleração e frenagem.

p A equipe de pesquisa Rensselaer, liderado pelo especialista em nanomateriais Nikhil Koratkar, procurou resolver este problema e criar uma nova bateria que pudesse conter grandes quantidades de energia, mas também aceitar e liberar rapidamente essa energia. Essa inovação poderia aliviar a necessidade do emparelhamento complexo de baterias de íon-lítio e supercapacitores em carros elétricos, e leva a uma forma mais simples, motores automotivos de melhor desempenho baseados exclusivamente em alta energia, baterias de íon-lítio de alta potência. Koratkar e sua equipe estão confiantes de sua nova bateria, criado intencionalmente por defeitos de engenharia no grafeno, é um trampolim crítico no caminho para a realização desse grande objetivo. Essas baterias também podem reduzir significativamente o tempo que leva para carregar dispositivos eletrônicos portáteis de telefones e laptops a dispositivos médicos usados ​​por paramédicos e socorristas.

p “A tecnologia da bateria de íon-lítio é magnífica, mas realmente prejudicado por sua densidade de potência limitada e sua incapacidade de aceitar ou descarregar rapidamente grandes quantidades de energia. Ao usar nosso papel de grafeno projetado para defeitos na arquitetura da bateria, Acho que podemos ajudar a superar essa limitação, ”Disse Koratkar, o John A. Clark e Edward T. Crossan Professor de Engenharia em Rensselaer. “Acreditamos que esta descoberta está madura para comercialização, e pode ter um impacto significativo no desenvolvimento de novas baterias e sistemas elétricos para automóveis elétricos e aplicações eletrônicas portáteis. ”Os resultados do estudo foram publicados esta semana pelo jornal ACS Nano no artigo “Grafeno foto-termicamente reduzido como ânodos de alta potência para baterias de íon de lítio.”

p Koratkar e sua equipe começaram a investigar o grafeno como um possível substituto para o grafite usado como o material do ânodo nas baterias de íon de lítio atuais. Essencialmente, uma única camada de grafite encontrada comumente em nossos lápis ou o carvão que queimamos em nossas churrasqueiras, o grafeno é uma folha de átomos de carbono com a espessura de um átomo, organizada como uma cerca de arame de galinheiro em nanoescala. Em estudos anteriores, Baterias de íon-lítio com ânodos de grafite exibiram boa densidade de energia, mas baixa densidade de energia, o que significa que não podiam carregar ou descarregar rapidamente. Este carregamento e descarregamento lento ocorreram porque os íons de lítio só podiam entrar ou sair fisicamente do ânodo de grafite da bateria pelas bordas, e, lentamente, percorrendo o comprimento das camadas individuais de grafeno.

p A solução de Koratkar foi usar uma técnica conhecida para criar uma grande folha de papel de óxido de grafeno. Este artigo tem a espessura de um pedaço de papel comum para impressora, e pode ser feito em quase qualquer tamanho ou formato. A equipe de pesquisa então expôs parte do papel de óxido de grafeno a um laser, e outras amostras do papel foram expostas a um simples flash de uma câmera digital. Em ambos os casos, o calor do laser ou do flash fotográfico literalmente causou miniexplosões em todo o papel, como os átomos de oxigênio no óxido de grafeno foram violentamente expelidos da estrutura. O resultado desse êxodo de oxigênio foram folhas de grafeno marcadas com incontáveis ​​rachaduras, poros, vazios, e outras manchas. A pressão criada pelo escape de oxigênio também fez com que o papel grafeno se expandisse cinco vezes em espessura, criando grandes vazios entre as folhas individuais de grafeno.

p Os pesquisadores descobriram rapidamente que esse papel de grafeno danificado tinha um desempenho notável como ânodo para uma bateria de íons de lítio. Considerando que antes os íons de lítio lentamente percorriam todo o comprimento das folhas de grafeno para carregar ou descarregar, os íons agora usavam as rachaduras e poros como atalhos para se mover rapidamente para dentro ou para fora do grafeno - aumentando muito a densidade de energia geral da bateria. A equipe de Koratkar demonstrou como seu material de ânodo experimental pode carregar ou descarregar 10 vezes mais rápido do que ânodos convencionais em baterias de íon-lítio sem incorrer em uma perda significativa em sua densidade de energia. Apesar dos inúmeros poros em microescala, rachaduras, e vazios que são onipresentes em toda a estrutura, o ânodo de papel de grafeno é notavelmente robusto, e continuou a ter um bom desempenho mesmo depois de mais de 1, 000 ciclos de carga / descarga. A alta condutividade elétrica das folhas de grafeno também permitiu o transporte eficiente de elétrons no ânodo, que é outra propriedade necessária para aplicações de alta potência.

p Koratkar disse que o processo de fabricação desses novos ânodos de papel de grafeno para baterias de íon-lítio pode ser facilmente ampliado para atender às necessidades da indústria. O papel grafeno pode ser feito essencialmente em qualquer tamanho e forma, e a exposição fototérmica por laser ou flash de câmera é um processo fácil e barato de replicar. Os pesquisadores entraram com pedido de proteção de patente para sua descoberta. A próxima etapa para este projeto de pesquisa é emparelhar o material do ânodo de grafeno com um material do cátodo de alta potência para construir uma bateria completa.