Um eletrodo de bateria semelhante a papel desenvolvido por um engenheiro da Kansas State University pode melhorar as ferramentas para exploração espacial ou veículos aéreos não tripulados.

Gurpreet Singh, professor associado de engenharia mecânica e nuclear, e sua equipe de pesquisa criou o eletrodo da bateria usando vidro de oxicarbonato de silício e grafeno.

O eletrodo da bateria tem todas as características certas. É mais de 10 por cento mais leve do que outros eletrodos de bateria. Ele tem uma eficiência de ciclo de quase 100 por cento para mais de 1000 ciclos de descarga de carga. É feito de materiais de baixo custo, subprodutos da indústria do silicone. E funciona em temperaturas tão baixas quanto -15 graus C, o que lhe dá inúmeras aplicações aéreas e espaciais.

A pesquisa aparece em Nature Communications artigo "Eletrodo de papel composto de vidro-grafeno de oxicarbeto de silício para baterias de íon-lítio de ciclo longo."

A equipe de pesquisa de Singh tem explorado novas combinações de materiais para baterias e design de eletrodos. Tem sido difícil incorporar grafeno e silício em baterias práticas por causa dos desafios que surgem em carregamentos de alta massa, como baixa capacidade por volume, baixa eficiência de ciclagem e instabilidade químico-mecânica.

A equipe de Singh abordou esses desafios fabricando um eletrodo autossustentável e pronto para uso que consiste em uma cerâmica vítrea chamada oxicarbeto de silício imprensada entre grandes plaquetas de grafeno quimicamente modificado, ou CMG. O eletrodo tem uma alta capacidade de aproximadamente 600 miliampère-hora por grama - 400 miliampère-hora por centímetro cúbico - que é derivado do oxicarbeto de silício. O design em forma de papel é feito de 20 por cento de plaquetas de grafeno modificadas quimicamente.

"O design em forma de papel é muito diferente dos eletrodos usados ​​nas baterias atuais porque elimina o suporte de folha de metal e a cola polimérica - ambos os quais não contribuem para a capacidade da bateria, "Singh disse.

O design que a equipe de Singh desenvolveu economizou aproximadamente 10% do peso total da célula. O resultado é um eletrodo leve capaz de armazenar íons de lítio e elétrons com quase 100% de eficiência de ciclo por mais de 1000 ciclos de descarga de carga. O aspecto mais importante é que o material seja capaz de demonstrar tal desempenho em níveis práticos, Disse Singh.

As células do eletrodo de papel também são capazes de fornecer uma capacidade de 200 miliamperes-hora por grama, mesmo quando mantidas a menos 15 graus C por cerca de um mês, o que é bastante notável, considerando que a maioria das baterias não funciona em temperaturas tão baixas, Disse Singh.

"Isso sugere que as baterias recarregáveis ​​de vidro de silício e eletrodos de grafeno também podem ser adequadas para veículos aéreos não tripulados voando em grandes altitudes, ou talvez até mesmo aplicações espaciais, "Singh disse.

O próprio material de oxicarbeto de silício é bastante especial, Disse Singh. É preparado aquecendo uma resina líquida até o ponto em que se decompõe e se transforma em partículas afiadas semelhantes a vidro. O silício, átomos de carbono e oxigênio são reorganizados em uma estrutura 3-D aleatória e qualquer excesso de carbono precipita nas regiões celulares. Essa estrutura aberta 3-D cria grandes locais para armazenamento reversível de lítio e canais suaves para transporte de íons de lítio. Esta estrutura e mecanismo de armazenamento de lítio são diferentes dos eletrodos de silício cristalino. Espera-se que os eletrodos de oxicarbeto de silício sejam de baixo custo porque a matéria-prima - resina líquida - é um subproduto da indústria de silicone.

Seguindo em frente, Singh e sua equipe desejam enfrentar desafios práticos. O objetivo de Singh é produzir este material de eletrodo em dimensões ainda maiores. Por exemplo, as baterias tipo lápis atuais usam eletrodos de folha de cobre revestidos de grafite com mais de trinta centímetros de comprimento. A equipe também gostaria de realizar testes de flexão mecânica para ver como eles afetam os parâmetros de desempenho.

"Em última análise, gostaríamos de trabalhar com a indústria para explorar a produção de células completas de bateria de íon de lítio, "Singh disse." O oxicarbeto de silício também pode ser preparado por impressão 3-D, que é outra área de interesse para nós. "