p (Phys.org) —Um pesquisador da Kansas State University está desenvolvendo maneiras mais eficientes de economizar custos, tempo e energia ao criar nanomateriais e baterias de íons de lítio. p Gurpreet Singh, professor assistente de engenharia mecânica e nuclear, e sua equipe de pesquisa publicou dois artigos recentes sobre os mais novos, métodos mais baratos e rápidos para a criação de nanomateriais que podem ser usados ​​para baterias de íon de lítio. No ano passado, Singh publicou oito artigos - cinco dos quais envolvem pesquisas sobre baterias de íons de lítio.

p "Estamos explorando novos métodos para síntese rápida e econômica de materiais bidimensionais para aplicações de bateria recarregável, "Singh disse." Estamos interessados ​​nesta pesquisa porque compreender a interação do lítio com materiais com espessura dupla e múltipla eventualmente nos permitirão projetar eletrodos de bateria para aplicações práticas. Isso inclui baterias que mostram capacidade aprimorada, eficiência e vida útil mais longa. "

p Para as pesquisas mais recentes, A equipe de Singh criou filmes de grafeno com entre duas e 10 camadas de espessura. O grafeno é uma folha de carbono com a espessura de um átomo. Os pesquisadores cultivaram os filmes de grafeno em folhas de cobre e níquel aquecendo-os rapidamente em um forno na presença de quantidades controladas de argônio, gases de hidrogênio e metano. A equipe conseguiu criar esses filmes em menos de 30 minutos. Seu trabalho aparece na edição de janeiro da ACS-Applied Materials and Interfaces em um artigo intitulado "Síntese de filmes de grafeno por rápido aquecimento e têmpera em pressões ambientais e sua caracterização eletroquímica."

p A pesquisa é significativa porque os pesquisadores criaram essas folhas de grafeno aquecendo e resfriando rapidamente os substratos de cobre e níquel à pressão atmosférica, o que significa que os cientistas não precisam mais de vácuo para criar filmes de grafeno com poucas camadas de espessura e podem economizar energia, tempo e custo, Disse Singh.

p Os pesquisadores usaram esses filmes de grafeno para criar o eletrodo negativo de uma célula de íon-lítio e, em seguida, estudaram as características de carga e descarga dessa bateria recarregável. Eles descobriram que os filmes de grafeno cultivados em cobre não alternavam os íons de lítio e a capacidade da bateria era insignificante. Mas o grafeno cultivado em níquel mostrou desempenho aprimorado porque foi capaz de armazenar e liberar íons de lítio com mais eficiência.

p "Acreditamos que esse comportamento ocorre porque as folhas de grafeno sobre níquel são relativamente grossas perto dos limites dos grãos e empilhadas de uma maneira bem definida - chamada de Bernal Stacking - que fornece vários locais para fácil captação e liberação de íons de lítio conforme a bateria é descarregada e cobrado, "Singh disse.

p Em um segundo projeto de pesquisa, os pesquisadores criaram nanofolhas de dissulfeto de tungstênio com aproximadamente 10 camadas de espessura. Começando com o pó de dissulfeto de tungstênio a granel - que é um tipo de lubrificante seco usado na indústria automotiva - a equipe foi capaz de separar espessas camadas de camadas atômicas de dissulfeto de tungstênio em uma solução de ácido forte. Este método simples possibilitou a produção de folhas em grandes quantidades. Muito parecido com o grafeno, dissulfeto de tungstênio também tem uma estrutura atômica em camadas, mas as camadas individuais têm três átomos de espessura.

p Os pesquisadores descobriram que essas folhas de dissulfeto de tungstênio tratadas com ácido também podem armazenar e liberar íons de lítio, mas de uma maneira diferente. O lítio é armazenado por meio de uma reação de conversão na qual dissulfeto de tungstênio se dissocia para formar tungstênio e sulfeto de lítio à medida que a célula é descarregada. Ao contrário do grafeno, esta reação envolve a transferência de pelo menos dois elétrons por átomo de tungstênio. Isso é importante porque os pesquisadores há muito tempo desconsideram esses compostos, como ânodos de bateria, devido à dificuldade associada à adição de lítio a esses materiais, Disse Singh. Só recentemente os ânodos de bateria baseados em reação de conversão ganharam popularidade.

p "Também percebemos que o dissulfeto de tungstênio é um composto pesado em comparação com o grafite de última geração usado nas baterias de íon-lítio atuais, "Disse Singh." Portanto, o dissulfeto de tungstênio pode não ser um eletrodo ideal para baterias portáteis.

p A pesquisa apareceu em uma edição recente da Journal of Physical Chemistry Letters em um artigo intitulado "Síntese de nanofolhas WS2 funcionalizadas por superfície e desempenho como ânodos de bateria de íon-lítio."

p Ambos os projetos são importantes porque podem ajudar os cientistas a criar nanomateriais de maneira econômica. Embora muitos estudos tenham se concentrado em fazer grafeno usando processos químicos de baixa pressão, pouca pesquisa foi tentada usando aquecimento e resfriamento rápidos em pressões atmosféricas, Disse Singh. De forma similar, grandes quantidades de folhas espessas de camada única e múltiplas camadas de dissulfeto de tungstênio são necessárias para outras aplicações.

p "Interessantemente, para a maioria das aplicações que envolvem este tipo de pesquisa de bateria e prevenção de corrosão, filmes com alguns átomos de espessura geralmente são suficientes, "Singh disse." Filmes de área grande e de alta qualidade com um átomo de espessura não são uma necessidade. "

p Singh planeja pesquisas futuras para estudar como esses nanomateriais em camadas podem criar eletrodos melhores na forma de heteroestruturas, que são estruturas empilhadas essencialmente tridimensionais envolvendo camadas alternadas de grafeno e tungstênio ou dissulfeto de molibdênio.