A Rice University e a Lockheed Martin criaram um pó de silício poroso que pode tornar-se robusto, poderosas baterias de íon de lítio. Cinquenta miligramas do pó tratado no frasco direito tem muito mais área de superfície do que um peso idêntico de silício triturado no frasco esquerdo. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
(Phys.org) —Os pesquisadores da Rice University refinaram a tecnologia de íons de lítio à base de silício, literalmente esmagando seu trabalho anterior para fazer um de alta capacidade, material de ânodo de longa duração e baixo custo com grande potencial comercial para baterias recarregáveis de lítio.
A equipe liderada pela engenheira de arroz Sibani Lisa Biswal e o cientista pesquisador Madhuri Thakur relatou em Natureza diário de acesso aberto de Relatórios Científicos na criação de um ânodo à base de silício, o eletrodo negativo de uma bateria, que atinge facilmente 600 ciclos de carga-descarga em 1, 000 miliamperes horas por grama (mAh / g). Esta é uma melhoria significativa em relação à capacidade de 350 mAh / g dos ânodos de grafite atuais.
Isso o coloca diretamente no reino da tecnologia de bateria de próxima geração, competindo para reduzir o custo e ampliar o alcance dos veículos elétricos.
O novo trabalho de Rice por meio do Centro de Excelência em Nanotecnologia Avançada da Lockheed Martin em Rice (LANCER) é o próximo e maior passo lógico desde que os parceiros começaram a investigar baterias há quatro anos.
"Nós relatamos anteriormente sobre como fazer filmes de silício porosos, "disse Biswal, professor assistente de engenharia química e biomolecular. "Temos procurado mudar da geometria do filme para algo que pode ser facilmente transferido para o processo de fabricação da bateria atual. Madhuri esmagou o filme de silício poroso para formar partículas de silício poroso, um pó que pode ser facilmente adotado pelos fabricantes de baterias. "
Uma bateria de meia célula que incorpora um silício poroso desenvolvido na Rice University atingiu mais de 600 ciclos de carga-descarga em laboratório. O trabalho é promissor para baterias de última geração para veículos elétricos. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
O silício pode conter 10 vezes mais íons de lítio do que o grafite comumente usado em ânodos hoje. Mas há um problema:o silício mais do que triplica seu volume quando completamente litiado. Quando repetido, este inchaço e encolhimento fazem com que o silício se decomponha rapidamente.
Muitos pesquisadores têm trabalhado em estratégias para tornar o silício mais adequado para uso em baterias. Cientistas da Rice e de outros locais criaram silício nanoestruturado com uma alta relação superfície / volume, o que permite ao silício acomodar uma expansão de volume maior. Biswal, o autor principal Thakur e o co-autor Michael Wong, um professor de engenharia química e biomolecular e de química, tentei a abordagem oposta; eles gravaram poros em pastilhas de silício para dar ao material espaço para se expandir. No início deste ano, eles haviam avançado para fazer filmes de silicone esponjosos que se mostravam ainda mais promissores.
Pó de silício poroso misturado com poliacrilonitrila pirolisada é a base de um ânodo robusto para baterias de íon-lítio. Os ânodos desenvolvidos com o pó na Rice University alcançaram mais de 600 ciclos de carga-descarga no laboratório. Crédito:Madhuri Thakur / Rice University
Mas mesmo esses filmes representavam um problema para os fabricantes, Thakur disse. "Eles não são fáceis de manusear e seriam difíceis de aumentar." Mas, ao esmagar as esponjas em grãos porosos, o material ganha muito mais área de superfície para absorver os íons de lítio.
Biswal ergueu dois frascos, um segurando 50 miligramas de silício triturado, os outros 50 miligramas de pó de silício poroso. A diferença entre eles era óbvia. "A área de superfície do nosso material é de 46 metros quadrados por grama, "ela disse." O silício triturado tem 0,71 metros quadrados por grama. Portanto, nossas partículas têm mais de 50 vezes a área de superfície, o que nos dá uma área de superfície maior para litiação, com muito espaço vazio para acomodar a expansão. "O pó de silício poroso é misturado com um aglutinante, poliacrilonitrila pirolisada (PAN), que oferece suporte condutor e estrutural.
"Como um pó, eles podem ser usados em processamento rolo a rolo em grande escala pela indústria, "Thakur disse." O material é muito simples de sintetizar, econômico e oferece alta capacidade de energia em um grande número de ciclos. "
“Este trabalho mostra o quão importante e útil é ser capaz de controlar os poros internos e o tamanho externo das partículas de silício, "Wong disse.
Em experimentos recentes, Thakur projetou uma bateria de meia célula com metal de lítio como contra-eletrodo e fixou a capacidade do ânodo em 1, 000 mAh / g. Isso era apenas cerca de um terço de sua capacidade teórica, mas três vezes melhor do que as baterias atuais. Os ânodos duraram 600 ciclos de carga-descarga a uma taxa C / 2 (duas horas para carregar e duas horas para descarregar). Outro ânodo continua a ciclar a uma taxa C / 5 (carga de cinco horas e descarga de cinco horas) e deve permanecer em 1, 000 mAh / g por mais de 700 ciclos.
"Este esforço bem-sucedido entre a Rice University e a Lockheed Martin Mission Systems and Sensors proporcionará uma melhoria significativa na tecnologia da bateria pelo desenvolvimento desta técnica de fabricação de baixo custo para anodo de silício, "disse Steven Sinsabaugh, um Lockheed Martin Fellow que trabalha com o LANCER e um co-autor do artigo junto com o pesquisador da Lockheed Martin, Mark Isaacson. "Estamos realmente entusiasmados com esta descoberta e ansiosos para fazer a transição desta tecnologia para o mercado comercial."
"A próxima etapa será testar esse pó de silício poroso como um ânodo em uma bateria cheia, "Biswal disse." Nossos resultados preliminares com óxido de cobalto como cátodo parecem muito promissores, e há novos materiais de cátodo que gostaríamos de investigar. "
