p Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia estão se voltando para tubos e hastes extremamente minúsculos para aumentar a potência e a durabilidade das baterias de íon-lítio, as fontes de energia para telefones celulares, laptops, e veículos elétricos. Se for bem sucedido, as baterias vão durar mais e funcionar melhor, levando a uma vantagem de custo para veículos elétricos. p O transporte e a comunicação em todo o mundo dependem cada vez mais de baterias de íon de lítio, com telefones celulares onipresentes em seis continentes, e veículos elétricos em ritmo de aceleração de um mercado mundial de $ 1 bilhão em 2009 para $ 14 bilhões em 2016, de acordo com os analistas Frost e Sullivan.

p O grupo de Armazenamento de Energia do NREL está trabalhando com o Departamento de Energia, desenvolvedores de baterias automotivas, e fabricantes de automóveis para melhorar o desempenho e durabilidade de baterias de íon de lítio avançadas para um produto de limpeza, futuro de transporte mais seguro, disse o gerente do Grupo de Armazenamento de Energia, Ahmad Pesaran. "A abordagem do nanotubo representa uma oportunidade empolgante - melhorando o desempenho das baterias recarregáveis ​​de íons de lítio e, ao mesmo tempo, fazendo com que durem mais, "O aumento da vida útil e do desempenho das baterias recarregáveis ​​reduzirá os custos gerais dos veículos elétricos e nos tornará menos dependentes de fontes estrangeiras de energia", disse Pesaran.

p Os cientistas do NREL criaram nanotubos e nanobastões cristalinos para atacar os principais desafios inerentes às baterias de íon-lítio:elas podem ficar muito quentes, pesar muito, e são menos do que estelares em conduzir eletricidade e carregar e descarregar rapidamente.

p A contribuição mais recente da NREL para baterias muito melhoradas é de alto desempenho, sem aglutinante, eletrodos baseados em nanotubos de carbono. A tecnologia atraiu rapidamente o interesse da indústria e está sendo licenciada para a NanoResearch, Inc., para produção de volume.

p Nanotecnologia se refere à manipulação da matéria em escala atômica ou molecular. Quão pequeno? Um nanômetro é um bilionésimo de um metro; levaria 1, 000 dos nanotubos do projeto do NREL alinhados lado a lado para cruzar a largura de um fio de cabelo humano.

p Ainda, cientistas do NREL são capazes não apenas de criar objetos úteis tão pequenos, mas guie suas formações em formas particulares. Eles combinaram nanotubos e nanobastões de tal forma que podem ajudar no carregamento da bateria enquanto reduzem o inchaço e encolhimento que leva a eletrodos com vida útil reduzida.

p "Pense em uma bateria de íon de lítio como um ninho de pássaro, "NREL Scientist Chunmei Ban disse." A abordagem NREL usa nanobastões para melhorar o que está acontecendo dentro, ao mesmo tempo em que garante que o ninho permaneça durável e resiliente. "

p “Estamos mudando a arquitetura, mudando um pouco a química, "sem trocar a própria bateria, ela disse.

p O trabalho do NREL foi apoiado pelo Departamento de Energia do Vehicle Technology Office no âmbito do programa Battery for Advanced Transportation Technologies (BATT), que se concentra em reduzir o custo e melhorar o desempenho e durabilidade das baterias de íon-lítio que alimentam veículos elétricos.

p Nanotubos de carbono ligam e conduzem

p Baterias de íon de lítio típicas usam materiais separados para a condução de elétrons e materiais ativos de ligação, mas a abordagem do NREL usa nanotubos de carbono para ambas as funções. "Isso melhora nosso carregamento em massa, o que resulta no empacotamento de mais energia no mesmo espaço, então, melhor saída de energia para a bateria, "Ban disse." A abordagem NREL também ajuda com a reversibilidade - a reversão das reações químicas que permite que a bateria seja recarregada com corrente elétrica durante a operação. Se pudermos melhorar a durabilidade e reversibilidade, definitivamente economizamos dinheiro e reduzimos custos. "

p Nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) são caros, mas os cientistas e engenheiros que trabalham no campo estão confiantes de que, à medida que o uso de eletrodos baseados em SWCNT se torna mais amplo, seu preço cairá a um ponto em que faça sentido econômico em baterias, Ban disse.

p Em uma bateria de íon de lítio, os íons de lítio se movem para frente e para trás no ânodo de grafite através de um eletrólito; os íons são injetados entre as camadas de carbono da grafite, que é durável, mas desnecessariamente denso. Ao mesmo tempo, os elétrons fluem para fora da bateria através de uma carga elétrica do cátodo para o ânodo. Eletrólitos são essenciais em baterias recarregáveis ​​porque eles fecham o circuito dentro das baterias permitindo a transferência de íons; de outra forma, a bateria não pode continuar a conduzir eletricidade do pólo positivo para o negativo e vice-versa.

p Materiais de alta energia, como óxidos de metal e ânodos de silício, têm grandes mudanças de volume quando os íons de lítio são injetados e extraídos do material do eletrodo. Eles incham e encolhem, se reúnem em um grupo e se tocam, encolhendo em uníssono, causando colapso e rachaduras subsequentes que podem prejudicar o desempenho, levando à destruição do eletrodo e, portanto, menor vida útil.

p Certos óxidos de metal fazem um trabalho melhor do que o grafite ao se juntar aos eletrodos. Mas enquanto eles melhoram o conteúdo de energia e as funções de reversão, eles ainda contribuem para a grande expansão de volume e a destruição da estrutura interna.

p A equipe NREL voltou-se para o óxido de ferro, que é abundante, seguro, barato, e mostra uma grande promessa. Ainda, para ser efetivo, o tamanho das nanopartículas de óxido de ferro tinha que ser perfeito - e tinha que ser mantido em uma matriz forte que fosse flexível e resiliente para lidar com grandes mudanças de volume enquanto conduzia eletricidade de maneira ideal.

p O NREL aproveitou as propriedades exclusivas dos SWCNTs para enfrentar os desafios do calor, peso, e descarregando tudo de uma vez. "Usamos o nanotubo de carbono nesta rede flexível para fazer um envoltório semelhante a uma corda condutiva, "Ban disse. Então, quando há encolhimento, esses envoltórios permitem que os elétrons atinjam o óxido de ferro e continuem no caminho condutor sem diminuir. O uso de nanopartículas encurta o comprimento de difusão, aumentando a capacidade de carregamento e descarregamento rápido. O uso de material abundante e barato significa menos necessidade de metais caros como o cobalto, atualmente usado em cátodos de baterias de íon de lítio, reduzindo o custo geral. "

p Construindo melhores ânodos e cátodos

p O SWCNT com solução de óxido de ferro produziu uma densidade de energia o triplo da grafite, o que significa forte desempenho enquanto elimina grande parte do peso de uma bateria que depende de grafite. Para chegar lá, era essencial que as partículas de óxido de ferro fossem distribuídas uniformemente dentro dos nanotubos circundantes.

p Ban e o colega do NREL, Zhuangchun Wu, usaram síntese hidrotérmica e filtração a vácuo para construir ânodos de íon-lítio que não requerem os aglutinantes típicos (a força de adesão que permite que a bateria suporte ciclos de carga e descarga), embora tenham alta capacidade. O primeiro passo foi fazer nanobastões de óxido de ferro como precursores para a fabricação de eletrodos. Ban e seus colegas descobriram que a 450 ° C, o recozimento dos nanobastões de hidróxido de ferro com SWCNTs produziria óxido de ferro. E, os SWCNTs contribuíram com apenas 5% para o peso. Não só os SWCNTs realmente facilitaram a formação das partículas de óxido de ferro, mas garantiram excelente contato físico e elétrico entre os dois materiais.

p Para eletrodos catódicos, eles incorporaram NMC - óxido de lítio-níquel manganês-cobalto - nos nanotubos, fazendo com que as nanopartículas se tornem muito condutoras. O nanocompósito resultante retém 92% de sua capacidade original de armazenar e conduzir cargas elétricas mesmo após 500 ciclos de carga e recarga.

p Experiência em síntese de química úmida orientou as formas ideais

p Não é tão fácil quanto simplesmente colocar nanomateriais em baterias, Ban disse. "Você precisa de um processo especial para fazer funcionar." Ban e seus colegas do NREL, Wu e Anne Dillon, usaram um processo de filtração a vácuo para combinar óxido de ferro barato com nanotubos de carbono.

p Ban trouxe sua experiência em síntese química úmida para o desafio de influenciar as formas dos nanomateriais para torná-los na forma de bastonetes. "Nós sabemos como mudar as condições de síntese para direcionar o design ou perceber a estrutura e forma dos nanomateriais, "Ban disse.

p Eles escolheram um formato de haste porque pensaram que se integraria bem com os nanofios e as curvaturas dos nanotubos, envolvê-los para criar um eletrodo robusto. Os fios invulgarmente longos e muito flexíveis dos nanomateriais são cruciais para as características superiores dos eletrodos. Eles se ligam intimamente às partículas, e sua porosidade permite uma difusão ideal.

p Uma bateria recarregável que dura

p Os eletrodos inovadores concebidos pela NREL podem significar capacidade superior, atuação, e segurança para baterias de íon de lítio.

p David Addie Noye, que fundou a NanoResearch, Inc., com um plano para comercializar inovações comprovadas da nanociência, visitou NREL, viu o processo, e decidiu licenciar a tecnologia. A inovação química dos nanomateriais e a inovação do processo de fabricação que resulta em eletrodos sem aglutinantes "é uma virada de jogo porque ajuda a resolver um problema fundamental que a indústria de baterias de íon de lítio não foi capaz de resolver por décadas, " ele disse.

p As melhorias nas baterias de íon-lítio oferecidas pela abordagem do NREL também podem fazer a diferença em eletrônicos de consumo portáteis, como laptops, tablets, celulares, e mídia portátil, bem como os dispositivos estacionários de armazenamento de energia que se tornarão cada vez mais importantes à medida que mais energia renovável de geração variável entrar na rede.

p "Não estamos fazendo uma bateria nova, mas estamos mudando um pouco a arquitetura usando ânodos de óxido de metal envoltos em SWCT, "Ban disse." Ao fazer isso, melhoramos o carregamento em massa, produção de energia por peso, e volume. "O processo garante uma carga mais rápida, e isso é o que é mais essencial para os fabricantes e seus clientes. Isso significa menos viagens para a estação de recarga, e uma bateria que continua funcionando indefinidamente.