Uma equipe trabalhando com Roland Fischer, Professor de Química Inorgânica e Metal-Orgânica na Technical University Munich (TUM) desenvolveu um supercapacitor altamente eficiente. A base do dispositivo de armazenamento de energia é um romance, material híbrido de grafeno poderoso e também sustentável que possui dados de desempenho comparáveis ​​às baterias utilizadas atualmente.

Usualmente, o armazenamento de energia está associado a baterias e acumuladores que fornecem energia para dispositivos eletrônicos. Contudo, em laptops, máquinas fotográficas, celulares ou veículos, os chamados supercapacitores estão cada vez mais instalados nos dias de hoje.

Ao contrário das baterias, eles podem armazenar rapidamente grandes quantidades de energia e descarregá-la com a mesma rapidez. Se, por exemplo, um trem freia ao entrar na estação, os supercondensadores armazenam a energia e a fornecem novamente quando o trem precisa de muita energia muito rapidamente durante a partida.

Contudo, um problema com os supercondensadores até o momento era a falta de densidade de energia. Enquanto os acumuladores de lítio atingem uma densidade de energia de até 265 quilowatts-hora (KW / h), os supercondensadores até agora só entregaram um décimo disso.

Material sustentável oferece alto desempenho

A equipe que trabalha com o químico TUM Roland Fischer desenvolveu agora um romance, material híbrido de grafeno poderoso e sustentável para supercondensadores. Ele serve como eletrodo positivo no dispositivo de armazenamento de energia. Os pesquisadores estão combinando-o com um eletrodo negativo comprovado baseado em titã e carbono.

O novo dispositivo de armazenamento de energia não atinge apenas uma densidade de energia de até 73 Wh / kg, que é aproximadamente equivalente à densidade de energia de uma bateria de hidreto de metal de níquel, mas também tem um desempenho muito melhor do que a maioria dos outros supercondensadores a uma densidade de potência de 16 kW / kg. O segredo do novo supercapacitor é a combinação de diferentes materiais - portanto, os químicos referem-se ao supercapacitor como 'assimétrico'.

Materiais híbridos:a natureza é o modelo a seguir

Os pesquisadores estão apostando em uma nova estratégia para superar os limites de desempenho dos materiais padrão - eles utilizam materiais híbridos. "A natureza está cheia de coisas altamente complexas, materiais híbridos evolutivamente otimizados - ossos e dentes são exemplos. Suas propriedades mecânicas, como dureza e elasticidade foram otimizados através da combinação de vários materiais por natureza, "diz Roland Fischer.

A ideia abstrata de combinar materiais básicos foi transferida para supercondensadores pela equipe de pesquisa. Como uma base, eles usaram o novo eletrodo positivo da unidade de armazenamento com grafeno quimicamente modificado e o combinaram com uma estrutura orgânica de metal nanoestruturada, um chamado MOF.

Poderoso e estável

Decisivos para o desempenho dos híbridos de grafeno são, por um lado, uma grande superfície específica e tamanhos de poros controláveis ​​e, por outro lado, uma alta condutividade elétrica. "As capacidades de alto desempenho do material são baseadas na combinação dos MOFs microporosos com o ácido grafeno condutor, "explica o primeiro autor Jayaramulu Kolleboyina, um ex-cientista convidado que trabalhava com Roland Fischer.

Uma grande superfície é importante para bons supercapacitores. Ele permite a coleta de um número respectivamente grande de portadores de carga dentro do material - este é o princípio básico para o armazenamento de energia elétrica.

Por meio do design de material habilidoso, os pesquisadores conseguiram a façanha de vincular o ácido grafeno aos MOFs. Os MOFs híbridos resultantes têm uma superfície interna muito grande de até 900 metros quadrados por grama e apresentam alto desempenho como eletrodos positivos em um supercapacitor.

Longa estabilidade

Contudo, essa não é a única vantagem do novo material. Para obter um híbrido quimicamente estável, é preciso fortes ligações químicas entre os componentes. As ligações são aparentemente as mesmas que aquelas entre os aminoácidos nas proteínas, de acordo com Fischer:"Na verdade, conectamos o ácido grafeno com um MOF-aminoácido, que cria um tipo de ligação peptídica. "

A conexão estável entre os componentes nanoestruturados tem enormes vantagens em termos de estabilidade de longo prazo:quanto mais estáveis ​​os vínculos, mais ciclos de carga e descarga são possíveis sem prejuízo significativo do desempenho.

Para comparação:um acumulador de lítio clássico tem uma vida útil de cerca de 5, 000 ciclos. A nova célula desenvolvida pelos pesquisadores TUM retém cerca de 90 por cento da capacidade mesmo após 10, 000 ciclos.

Rede internacional de especialistas

Fischer enfatiza a importância da cooperação internacional irrestrita que os próprios pesquisadores controlavam no desenvolvimento do novo supercapacitor. De acordo, Jayaramulu Kolleboyina construiu a equipe. Ele foi um cientista convidado da Índia, convidado pela Fundação Alexander von Humboldt, e que agora é o chefe do departamento de química do recém-criado Instituto Indiano de Tecnologia em Jammu.

"Nossa equipe também trabalhou em rede com especialistas em eletroquímica e pesquisa de baterias em Barcelona, ​​bem como especialistas em derivados de grafeno da República Tcheca, "relata Fischer." Além disso, temos parceiros integrados dos EUA e da Austrália. Esta maravilhosa, a cooperação internacional promete muito para o futuro. "