Imagens de microscopia eletrônica de varredura de (a) nanofibras de SiO2 após a secagem, (b) nanofibras de SiO2 sob alta ampliação (c) nanofibras de silício após a corrosão, e (d) nanofibras de silício sob grande ampliação.
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, O Bourns College of Engineering da Riverside desenvolveu um novo material semelhante ao papel para baterias de íon-lítio. Tem o potencial de aumentar várias vezes a energia específica, ou quantidade de energia que pode ser fornecida por unidade de peso da bateria.
Esse material semelhante a papel é composto de nanofibras de silicone semelhantes a esponjas, mais de 100 vezes mais finas que o cabelo humano. Pode ser usado em baterias para veículos elétricos e eletrônicos pessoais.
As descobertas acabaram de ser publicadas em um jornal, "Rumo a eletrodos escalonáveis sem aglutinante:papel de nanofibra de silício revestido com carbono via redução de magnésio de nanofibras de SiO2 eletrofiadas, "no jornal Nature Scientific Reports . Os autores foram Mihri Ozkan, um professor de engenharia elétrica e da computação, Cengiz S. Ozkan, um professor de engenharia mecânica, e seis de seus alunos de pós-graduação:Zach Favors, Baía de Hamed Hosseini, Zafer Mutlu, Kazi Ahmed, Robert Ionescu e Rachel Ye.
As nanofibras foram produzidas usando uma técnica conhecida como eletrofiação, em que 20, 000 a 40, 000 volts são aplicados entre um tambor rotativo e um bico, que emite uma solução composta principalmente de ortossilicato de tetraetila (TEOS), um composto químico freqüentemente usado na indústria de semicondutores. As nanofibras são então expostas ao vapor de magnésio para produzir a estrutura de fibra de silicone semelhante a uma esponja.
Os ânodos de bateria de íon-lítio produzidos convencionalmente são feitos de folha de cobre revestida com uma mistura de grafite, um aditivo condutor, e um aglutinante de polímero. Mas, porque o desempenho do grafite está quase esgotado, pesquisadores estão experimentando outros materiais, como o silício, que tem uma capacidade específica, ou carga elétrica por unidade de peso da bateria, quase 10 vezes maior do que o grafite.
(a) Representação esquemática do processo de eletrofiação e subsequente processo de redução. Fotografias digitais de (b) papel de nanofibras de SiO2 as-fiado, (c) papel de nanofibra de silício gravado, e (d) papel de nanofibra de silício revestido com carbono como usado na configuração de meia célula de íon de lítio.
O problema com o silício é que ele sofre uma significativa expansão de volume, o que pode degradar rapidamente a bateria. A estrutura de nanofibra de silício criada nos laboratórios de Ozkan contorna esse problema e permite que a bateria seja acionada centenas de vezes sem degradação significativa.
"Eliminar a necessidade de coletores de corrente de metal e aglutinantes de polímero inativos ao mudar para um material com alta densidade de energia, como o silício, aumentará significativamente a capacidade de alcance dos veículos elétricos, "Disse Favores.
Essa tecnologia também resolve um problema que atormentava o autônomo, ou sem fichário, eletrodos por anos:escalabilidade. Materiais autônomos cultivados usando deposição de vapor químico, como nanotubos de carbono ou nanofios de silício, só pode ser produzido em quantidades muito pequenas (microgramas). Contudo, A Favors foi capaz de produzir vários gramas de nanofibras de silício de uma vez, mesmo em escala de laboratório.
O trabalho futuro dos pesquisadores envolve a implementação de nanofibras de silício em uma bateria de íon-lítio em formato de célula de bolsa, que é um formato de bateria em maior escala que pode ser usado em EVs e eletrônicos portáteis.
