p Pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi melhoraram o desempenho e a capacidade das baterias de lítio desenvolvendo um melhor desempenho, materiais mais baratos para uso em ânodos e cátodos (eletrodos negativos e positivos, respectivamente). p As baterias de íon-lítio são um tipo popular de bateria recarregável comumente encontrada em eletrônicos portáteis e carros elétricos ou híbridos. Tradicionalmente, baterias de íon-lítio contêm um ânodo de grafite, mas o silício emergiu recentemente como um substituto do ânodo promissor porque é o segundo elemento mais abundante na terra e tem uma capacidade teórica de 3600 miliamperes-hora por grama (mAh / g), quase 10 vezes a capacidade do grafite. A capacidade de uma bateria de íon de lítio é determinada por quantos íons de lítio podem ser armazenados no cátodo e ânodo. Usar silício no ânodo aumenta drasticamente a capacidade da bateria porque um átomo de silício pode ligar até 3,75 íons de lítio, enquanto com um ânodo de grafite, seis átomos de carbono são necessários para cada átomo de lítio.

p A equipe do USC Viterbi desenvolveu um ânodo de silício econômico (e, portanto, comercialmente viável) com uma capacidade estável acima de 1100 mAh / g por 600 ciclos estendidos, tornando seu ânodo quase três vezes mais poderoso e mais duradouro do que um ânodo comercial típico.

p Até recentemente, a implementação bem-sucedida de ânodos de silício em baterias de íon-lítio enfrentou um grande obstáculo:a severa pulverização do eletrodo devido à expansão e retração de volume que ocorre com o uso do silício. Ano passado, a mesma equipe liderada pelo professor de engenharia elétrica do USC Viterbi, Chongwu Zhou, desenvolveu um projeto de ânodo bem-sucedido usando nanofios de silício poroso que permitiam que o material se expandisse e se contraísse sem quebrar, efetivamente resolvendo o problema de pulverização.

p Esta solução gerou um novo problema, entretanto:o método de produção de silício nanoestruturado era proibitivamente caro para adoção comercial.

p Implacável, o estudante de pós-graduação Mingyuan Ge e outros membros da equipe de Zhou desenvolveram seu trabalho anterior para desenvolver um método de baixo custo de produção de partículas de silício poroso por meio de métodos simples e baratos de moagem de bolas e decapagem.

p "Nosso método de produção de ânodos de silício nanoporosos é de baixo custo e escalonável para produção em massa na manufatura industrial, que torna o silício um material de ânodo promissor para a próxima geração de baterias de íon-lítio, "disse Zhou." Acreditamos que seja a abordagem mais promissora para a aplicação de ânodos de silício em baterias de íon-lítio para melhorar a capacidade e o desempenho. "

p Além disso, O estudante de graduação Jiepeng Rong e outros membros da equipe desenvolveram um método de revestimento de pó de enxofre com óxido de grafeno para melhorar o desempenho em baterias de lítio-enxofre. O enxofre tem sido um candidato promissor ao cátodo por muitos anos devido à sua alta capacidade teórica, que é mais de 10 vezes maior do que os cátodos tradicionais de óxido de metal ou fosfato. O enxofre elementar também é abundante, barato, e tem baixa toxicidade. Contudo, a aplicação prática do enxofre tem sido muito prejudicada por desafios, incluindo baixa condutividade e baixa ciclabilidade, o que significa que a bateria perde energia após cada carga e morre após um número menor de recargas.

p Sua pesquisa provou que um revestimento de óxido de grafeno sobre enxofre pode resolver os dois problemas. O óxido de grafeno tem propriedades únicas, como alta área de superfície, estabilidade química, resistência mecânica e flexibilidade, e, portanto, é comumente usado para revestir materiais de núcleo em produtos como sensores ou células solares para melhorar seu desempenho. O revestimento de óxido de grafeno da equipe melhorou a capacidade do cátodo de enxofre para 800 mAh / g para 1000 ciclos de carga / descarga, que é mais de 5 vezes a capacidade dos cátodos comerciais.

p Zhou e sua equipe publicaram recentemente seus resultados sobre ânodos de silício em Nano Letras [1]. O jornal foi um esforço colaborativo entre Zhou, Estudantes de pós-graduação da USC Viterbi Mingyuan Ge, Jiepeng Rong, e Xin Fang, bem como Matthew Mecklenburg do Centro de Microscopia Eletrônica e Microanálise da USC, e pesquisadores da Universidade de Zhejiang da China e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley. Separadamente, Zhou, Rong, Ge, e Fang também publicou resultados em Nano Letras em seu método para produzir facilmente catodos de enxofre revestidos de grafeno para baterias de íon-lítio [2].

p Agora que seus testes separados dos eletrodos negativos e positivos produziram resultados excelentes, a equipe agora está trabalhando para testá-los juntos em uma bateria completa. Em seguida, eles irão integrar o ânodo de silício com o cátodo de enxofre, bem como com outros materiais catódicos tradicionais, para maximizar a capacidade da bateria de íon de lítio e o desempenho geral.

p "Pelo que podemos dizer, nossas tecnologias com ânodo de silício e cátodo de enxofre estão entre as soluções mais econômicas e, portanto, mostram a promessa de comercialização para fazer a próxima geração de baterias de íon-lítio para alimentar eletrônicos portáteis e veículos elétricos, "disse o estudante de graduação Rong da USC Viterbi.