p Os cientistas da Universidade de Stanford melhoraram drasticamente o desempenho das baterias de íon-lítio criando novos eletrodos feitos de silício e hidrogel de polímero condutor, um material esponjoso semelhante ao usado em lentes de contato e outros produtos domésticos. p Escrito na edição de 4 de junho da revista Nature Communications , os cientistas descrevem uma nova técnica de produção de baixo custo, baterias à base de silício com aplicações potenciais para uma ampla gama de dispositivos elétricos.

p "O desenvolvimento de baterias recarregáveis ​​de íon-lítio com alta densidade de energia e ciclo de vida longo é de importância crítica para atender às necessidades cada vez maiores de armazenamento de energia para eletrônicos portáteis, veículos elétricos e outras tecnologias, "disse o co-autor do estudo Zhenan Bao, professor de engenharia química em Stanford.

p Para encontrar uma prática, material barato que aumenta a capacidade de armazenamento das baterias de íon-lítio, Bao e seus colegas de Stanford se voltaram para o silício - uma fonte abundante, elemento ambientalmente benigno com propriedades eletrônicas promissoras.

p "Há vários anos, temos tentado desenvolver eletrodos à base de silício para baterias de íon-lítio de alta capacidade, "disse o co-autor do estudo Yi Cui, professor associado de ciência de materiais e engenharia em Stanford. "O silício tem 10 vezes a capacidade de armazenamento de carga do carbono, o material convencional usado em eletrodos de íon de lítio. O problema é que o silício se expande e se quebra. "

p Estudos mostraram que as partículas de silício podem sofrer uma expansão de volume de 400% quando combinadas com o lítio. Quando a bateria está carregada ou descarregada, as partículas inchadas tendem a se fraturar e perder o contato elétrico. Para superar essas restrições técnicas, a equipe de Stanford usou uma técnica de fabricação chamada polimerização de síntese in situ, que reveste as nanopartículas de silício dentro do hidrogel condutor.

p Esta técnica permitiu aos cientistas criar uma bateria de íon-lítio estável que manteve uma alta capacidade de armazenamento até 5, 000 ciclos de carga e descarga.

p "Atribuímos a excepcional estabilidade eletroquímica da bateria à arquitetura única em nanoescala do eletrodo composto de silício, "Bao disse.

p Usando um microscópio eletrônico de varredura, os cientistas descobriram que a matriz de hidrogel porosa é crivada de espaços vazios que permitem que as nanopartículas de silício se expandam quando o lítio é inserido. Essa matriz também forma uma rede tridimensional que cria uma via de condução eletrônica durante o carregamento e a descarga.

p "Acontece que o hidrogel tem sítios de ligação que se prendem às partículas de silício muito bem e, ao mesmo tempo, fornecem canais para o transporte rápido de elétrons e íons de lítio, "explicou Cui, um investigador principal do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia no Laboratório Nacional de Aceleração SLAC. "Isso faz uma combinação muito poderosa."

p Uma simples mistura de hidrogel e silício se mostrou muito menos eficaz do que a técnica de polimerização de síntese in situ. "Fazer o hidrogel primeiro e depois misturá-lo com as partículas de silício não funcionou bem, "Bao disse." Foi necessária uma etapa adicional que realmente reduziu o desempenho da bateria. Com nossa técnica, cada nanopartícula de silício é encapsulada dentro de um revestimento de superfície de polímero condutor e é conectada à estrutura de hidrogel. Isso melhora a estabilidade geral da bateria. "

p O hidrogel consiste principalmente de água, que pode causar a ignição das baterias de íon-lítio - um problema potencial que a equipe de pesquisa teve que resolver. "Utilizamos a propriedade de rede tridimensional do hidrogel no eletrodo, mas na fase final de produção, a água foi removida, "Bao disse." Você não quer água dentro de uma bateria de íon-lítio.

p Embora uma série de problemas técnicos permaneçam, Cui está otimista sobre as potenciais aplicações comerciais da nova técnica para criar eletrodos feitos de silício e outros materiais.

p "O processo de fabricação de eletrodos usado no estudo é compatível com a tecnologia de fabricação de baterias existente, "disse ele." O silício e o hidrogel também são baratos e amplamente disponíveis. Esses fatores podem permitir que eletrodos de composto de silício de alto desempenho sejam ampliados para a fabricação da próxima geração de baterias de íon de lítio. É uma abordagem muito simples que levou a um resultado muito poderoso. "