p Se você adicionar pontos quânticos - nanocristais 10, 000 vezes menor que a largura de um cabelo humano - a bateria de um smartphone carrega em 30 segundos, mas o efeito dura apenas alguns ciclos de recarga. p Contudo, um grupo de pesquisadores da Vanderbilt University reportou na edição de 11 de novembro da revista ACS Nano que encontraram uma maneira de superar este problema:fazendo os pontos quânticos de pirita de ferro, comumente conhecido como ouro do tolo, pode produzir baterias que carregam rapidamente e funcionam por dezenas de ciclos.

p A equipe de pesquisa liderada pelo Professor Assistente de Engenharia Mecânica Cary Pint e liderada pela estudante Anna Douglas se interessou pela pirita de ferro por ser um dos materiais mais abundantes na superfície da Terra. É produzido na forma bruta como subproduto da produção de carvão e é tão barato que é usado em baterias de lítio que são compradas no armazém e jogadas fora após uma única utilização.

p Apesar de todas as suas promessas, os pesquisadores tiveram problemas para obter nanopartículas para melhorar o desempenho da bateria.

p "Os pesquisadores demonstraram que os materiais em nanoescala podem melhorar significativamente as baterias, Mas há um limite, "Pint disse." Quando as partículas ficam muito pequenas, geralmente significando abaixo de 10 nanômetros (40 a 50 átomos de largura), as nanopartículas começam a reagir quimicamente com os eletrólitos e, portanto, só podem carregar e descarregar algumas vezes. Portanto, esse regime de tamanho é proibido em baterias comerciais de íon de lítio. "

p Auxiliado pela experiência de Douglas em sintetizar nanopartículas, a equipe se propôs a explorar esse regime "ultra-pequeno". Eles fizeram isso adicionando milhões de pontos quânticos de pirita de ferro de tamanhos diferentes às baterias de botão de lítio padrão, como as que são usadas para alimentar relógios, controles remotos chave de automóveis e lanternas de LED. Eles obtiveram o melhor retorno de seu investimento quando adicionaram nanocristais ultra-pequenos com cerca de 4,5 nanômetros de tamanho. Isso melhorou substancialmente as capacidades de ciclagem e taxa das baterias.

p Os pesquisadores descobriram que conseguiram esse resultado porque a pirita de ferro tem uma maneira única de se transformar em ferro e um composto de lítio-enxofre (ou enxofre de sódio) para armazenar energia. "Este é um mecanismo diferente de como as baterias comerciais de íon de lítio armazenam carga, onde o lítio se insere em um material durante o carregamento e é extraído durante a descarga - o tempo todo deixando o material que armazena o lítio praticamente inalterado, "Douglas explicou.

p De acordo com Pint, "Você pode pensar nisso como um bolo de baunilha. Armazenar lítio ou sódio em materiais de bateria convencionais é como empurrar pedaços de chocolate para dentro do bolo e, em seguida, puxar os pedaços intactos de volta. Com os materiais interessantes que estamos estudando, você coloca gotas de chocolate no bolo de baunilha e ele se transforma em um bolo de chocolate com lascas de baunilha. "

p Como resultado, as regras que proíbem o uso de nanopartículas ultra-pequenas em baterias não se aplicam mais. Na verdade, as escamas são inclinadas em favor de nanopartículas muito pequenas.

p "Em vez de apenas inserir íons de lítio ou sódio dentro ou fora das nanopartículas, o armazenamento em pirita de ferro requer a difusão de átomos de ferro também. Infelizmente, o ferro se difunde lentamente, exigir que o tamanho seja menor do que o comprimento de difusão do ferro - algo que só é possível com nanopartículas ultra-pequenas, "Douglas explicou.

p Uma observação importante do estudo da equipe foi que essas nanopartículas ultra-pequenas são equipadas com dimensões que permitem que o ferro se mova para a superfície enquanto o sódio ou lítio reage com o enxofre na pirita de ferro. Eles demonstraram que este não é o caso para partículas maiores, onde a incapacidade do ferro de se mover através dos materiais de pirita de ferro limita sua capacidade de armazenamento.

p Pint acredita que a compreensão dos mecanismos de armazenamento de produtos químicos e como eles dependem de dimensões em nanoescala é crítica para permitir a evolução do desempenho da bateria em um ritmo que resiste à lei de Moore e pode apoiar a transição para veículos elétricos.

p “As baterias de amanhã que podem carregar em segundos e descarregar em dias não usarão apenas nanotecnologia, eles se beneficiarão do desenvolvimento de novas ferramentas que nos permitirão projetar nanoestruturas que podem resistir a dezenas de milhares de ciclos e possuem capacidades de armazenamento de energia que rivalizam com a da gasolina, "disse Pint." Nossa pesquisa é um passo importante nessa direção. "