p Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore descobriram que as baterias de íon de lítio operam mais e mais rapidamente quando seus eletrodos são tratados com hidrogênio. p As baterias de íon de lítio (LIBs) são uma classe de tipos de baterias recarregáveis ​​em que os íons de lítio se movem do eletrodo negativo para o positivo durante a descarga e vice-versa.

p A crescente demanda por armazenamento de energia enfatiza a necessidade urgente de baterias de alto desempenho. Várias características principais do desempenho da bateria de íon de lítio - capacidade, voltagem e densidade de energia - são determinadas, em última análise, pela ligação entre os íons de lítio e o material do eletrodo. Mudanças sutis na estrutura, a química e a forma de um eletrodo podem afetar significativamente a intensidade com que os íons de lítio se ligam a ele.

p Por meio de experimentos e cálculos, a equipe de Livermore descobriu que eletrodos de nanoespuma de grafeno tratados com hidrogênio nos LIBs mostram maior capacidade e transporte mais rápido.

p "Essas descobertas fornecem percepções qualitativas para ajudar no projeto de materiais à base de grafeno para eletrodos de alta potência, "disse Morris Wang, um cientista de materiais do LLNL e co-autor de um artigo publicado na edição de 5 de novembro da Nature Relatórios Científicos .

p As baterias de íon de lítio estão crescendo em popularidade para veículos elétricos e aplicações aeroespaciais. Por exemplo, As baterias de íon de lítio estão se tornando um substituto comum para as baterias de ácido de chumbo que têm sido usadas historicamente em carrinhos de golfe e veículos utilitários. Em vez de placas pesadas de chumbo e eletrólitos ácidos, a tendência é usar baterias de íon de lítio leves que podem fornecer a mesma voltagem das baterias de chumbo-ácido sem a necessidade de modificação do sistema de propulsão do veículo.

p Aplicações comerciais de materiais de grafeno para dispositivos de armazenamento de energia, incluindo baterias de íon de lítio e supercapacitores, depende criticamente da capacidade de produzir esses materiais em grandes quantidades e com baixo custo. Contudo, os métodos de síntese química frequentemente usados ​​deixam para trás quantidades significativas de hidrogênio atômico, cujo efeito no desempenho eletroquímico dos derivados de grafeno é difícil de determinar.

p No entanto, os cientistas de Livermore fizeram exatamente isso. Seus experimentos e cálculos multiescala revelam que o tratamento deliberado a baixa temperatura de grafeno rico em defeitos com hidrogênio pode realmente melhorar a capacidade de taxa. O hidrogênio interage com os defeitos do grafeno e abre pequenas lacunas para facilitar a penetração do lítio, o que melhora o transporte. A capacidade reversível adicional é fornecida pela ligação aprimorada de lítio perto das bordas, onde o hidrogênio é mais provável de se ligar.

p "A melhoria de desempenho que vimos nos eletrodos é um avanço que tem aplicações no mundo real, "disse Jianchao Ye, que é um cientista pós-doutorado na Divisão de Ciência de Materiais do Laboratório, e o principal autor do artigo.

p Para estudar o envolvimento de hidrogênio e defeitos hidrogenados na capacidade de armazenamento de lítio do grafeno, a equipe aplicou várias condições de tratamento térmico combinadas com exposição a hidrogênio e analisou o desempenho eletroquímico de eletrodos de nanoforma de grafeno (GNF) 3-D, que são compostos principalmente de grafeno defeituoso. A equipe usou nanofumas de grafeno 3-D devido às suas inúmeras aplicações potenciais, incluindo armazenamento de hidrogênio, catálise, filtração, isolamento, sorventes de energia, dessalinização capacitiva, supercapacitores e LIBs.

p A natureza livre de aglutinante da espuma 3D de grafeno os torna ideais para estudos mecanísticos sem as complicações causadas por aditivos.

p "Encontramos uma capacidade de taxa drasticamente melhorada nos eletrodos de nanoespuma de grafeno após o tratamento com hidrogênio. Combinando os resultados experimentais com simulações detalhadas, fomos capazes de rastrear as melhorias nas interações sutis entre defeitos e hidrogênio dissociado. Isso resulta em algumas pequenas mudanças na química e morfologia do grafeno que acabam por ter um efeito surpreendentemente grande no desempenho, "disse o cientista do LLNL Brandon Wood, que dirigiu o esforço teórico no papel.

p A pesquisa sugere que o tratamento controlado com hidrogênio pode ser usado como uma estratégia para otimizar o transporte de lítio e o armazenamento reversível em outros materiais de ânodo à base de grafeno.