p Pesquisadores da Empa e da ETH Zurich conseguiram pela primeira vez produzir nanocristais de antimônio uniformes. Testado como componentes de baterias de laboratório, estes são capazes de armazenar um grande número de íons de lítio e sódio. Esses nanomateriais operam com alta taxa e podem eventualmente ser usados ​​como materiais de ânodo alternativos em futuras baterias de alta densidade de energia. p A caça está em andamento - por novos materiais a serem usados ​​na próxima geração de baterias que podem um dia substituir as baterias de íon de lítio atuais. Hoje, os últimos são comuns e fornecem uma fonte de energia confiável para smartphones, laptops e muitos outros dispositivos elétricos portáteis. Por um lado, Contudo, a mobilidade elétrica e o armazenamento estacionário de eletricidade exigem um número maior de baterias mais potentes; e a alta demanda por lítio pode levar à escassez da matéria-prima. É por isso que a tecnologia conceitualmente idêntica baseada em íons de sódio receberá cada vez mais atenção nos próximos anos. Embora pesquisado por 20 anos, materiais que podem armazenar íons de sódio permanecem escassos.

p Eletrodos de antimônio?

p Uma equipe da Empa e da ETH Zurich liderada pelo pesquisador da Empa Maksym Kovalenko pode ter chegado um passo mais perto de identificar materiais alternativos de bateria:eles se tornaram os primeiros a sintetizar nanocristais de antimônio uniformes, as propriedades especiais que os tornam candidatos principais para um material de ânodo para baterias de íon de lítio e íon de sódio. Os resultados do estudo dos cientistas acabam de ser publicados em Nano Letras .

p Por muito tempo, o antimônio tem sido considerado um material de ânodo promissor para baterias de íon de lítio de alto desempenho, pois este metalóide apresenta uma alta capacidade de carga, por um fator de dois a mais do que o grafite comumente usado. Estudos iniciais revelaram que o antimônio pode ser adequado para baterias recarregáveis ​​de íon de lítio e sódio, pois é capaz de armazenar os dois tipos de íons. O sódio é considerado uma possível alternativa de baixo custo ao lítio, pois é muito mais abundante naturalmente e suas reservas estão distribuídas de maneira mais uniforme na Terra.

p Para que o antimônio atinja sua alta capacidade de armazenamento, Contudo, ele precisa ser produzido de uma forma especial. Os pesquisadores conseguiram sintetizar quimicamente nanocristais de antimônio uniformes - chamados de "monodispersos", que tinham entre dez e vinte nanômetros de tamanho. Os nanocristais têm uma vantagem decisiva sobre as partículas de tamanhos maiores:a litiação ou sodiação total do antimônio leva a grandes mudanças volumétricas. Usando nanocristais, essas modulações do volume podem ser reversíveis e rápidas, e não levam à fratura imediata do material. Uma vantagem adicional importante dos nanocristais (ou nanopartículas) é que eles podem ser misturados com um enchimento de carbono condutor para evitar a agregação das nanopartículas.

p Candidato ideal para material de ânodo

p Testes eletroquímicos mostraram que eletrodos feitos de nanocristais de antimônio funcionam igualmente bem em baterias de sódio e íons de lítio. Isso torna o antimônio particularmente promissor para baterias de sódio, porque os melhores materiais de ânodo para armazenamento de lítio (grafite e silício) não funcionam com sódio.

p Nanocristais altamente monodispersos, com o desvio de tamanho de dez por cento ou menos, permitem identificar a relação tamanho-desempenho ideal. Os nanocristais de dez nanômetros ou menores sofrem oxidação por causa da área de superfície excessiva. Por outro lado, Cristais de antimônio com um diâmetro de mais de 100 nanômetros não são suficientemente estáveis ​​devido à expansão e contração maciça de volume mencionada durante a operação de uma bateria. Os pesquisadores alcançaram os melhores resultados com partículas grandes de 20 nanômetros.

p Outro resultado importante do estudo, habilitado por essas partículas ultra-uniformes, é que os pesquisadores identificaram uma faixa de tamanho de cerca de 20 a 100 nanômetros, dentro do qual este material mostra-se excelente, desempenho independente do tamanho, tanto em termos de densidade de energia quanto capacidade de taxa. Esses recursos permitem até mesmo o uso de partículas de antimônio polidispersas para obter o mesmo desempenho de partículas muito monodispersas, contanto que seus tamanhos permaneçam dentro desta faixa de tamanho de 20 a 100 nanômetros. Os experimentos do grupo de Kovalenko em nanopartículas monodispersas de outros materiais mostram relações de tamanho-desempenho muito mais íngremes, como queda rápida de desempenho com o aumento do tamanho da partícula, colocando o antimônio em uma posição única entre os materiais que se ligam ao lítio e ao sódio. "Isso simplifica muito a tarefa de encontrar um método de síntese economicamente viável", Kovalenko diz. "O desenvolvimento dessa síntese econômica é o próximo passo para nós, junto com nosso parceiro industrial. "

p Alternativa mais cara

p Isso significa que uma alternativa às baterias de íon de lítio de hoje está ao nosso alcance? Kovalenko balança a cabeça. Embora o método seja relativamente simples, a produção de um número suficiente de nanocristais de antimônio uniformes de alta qualidade ainda é muito cara. "Contudo, baterias com íons de sódio e nanocristais de antimônio como ânodos só constituirão uma alternativa altamente promissora às baterias de íon de lítio de hoje se os custos de produção forem comparáveis, " ele diz.

p Provavelmente levará mais uma década ou mais antes que uma bateria de íon de sódio com eletrodos de antimônio possa chegar ao mercado. As pesquisas sobre o tema ainda estão engatinhando. "Contudo, outros grupos de pesquisa logo se juntarão aos esforços, "o químico está convencido.

p Resumindo:baterias de íon de lítio

p Uma bateria de íon de lítio atual compreende dois eletrodos - um cátodo e um ânodo. O ânodo geralmente é feito de grafite, o cátodo de óxidos de metal, como óxido de cobalto. Os íons de lítio se alojam nesses materiais durante os processos de carga ou descarga. Os dois eletrodos são separados por um separador permeável apenas aos íons de lítio que viajam entre os dois eletrodos. Durante a descarga da bateria, os íons de lítio mudam do ânodo para o cátodo. Os elétrons fazem um "desvio" por meio de um dispositivo eletrônico externo, que é alimentado pelo fluxo de elétrons resultante. Elétrons e íons se encontram novamente no cátodo. Quando a bateria está carregando, íons de lítio e elétrons fluem na direção oposta. Para que a bateria funcione de forma eficaz e por muito tempo, os íons precisam ser capazes de entrar e sair facilmente dos materiais do eletrodo. A forma e o tamanho dos materiais do eletrodo não devem mudar muito durante a absorção e liberação recorrente dos íons.