Um novo estudo de pesquisadores chineses demonstra uma nova abordagem para melhorar o desempenho de armazenamento de baterias e capacitores. Os pesquisadores desenvolveram uma maneira simples, mas eficiente, de produzir um material com excelente desempenho para uso em dispositivos que dependem de armazenamento de íons de lítio.
Eles publicaram suas descobertas na Nano Research em 1º de abril.

Por que lítio?

As tecnologias de armazenamento de energia são cada vez mais importantes à medida que o mundo muda para a neutralidade de carbono, procurando eletrificar ainda mais os setores automotivo e de energia renovável. A tecnologia de íons de lítio é fundamental para impulsionar essa mudança.

“Entre todos os candidatos disponíveis, os dispositivos de armazenamento de energia que empregam química de armazenamento de lítio, como baterias de íons de lítio e capacitores de íons de lítio, podem oferecer o melhor desempenho no estágio atual”, diz o autor do estudo Han Hu, pesquisador do Instituto. de Nova Energia, Universidade de Petróleo da China.

No entanto, a utilização da tecnologia de íons de lítio no armazenamento de energia é limitada por sua eficiência em relação ao tamanho. Um estudo de 2021 citado pelos autores afirma que, para melhorar a competitividade no mercado de veículos elétricos, as baterias de íons de lítio devem se tornar mais eficientes em peso e volume. Melhorias adicionais na capacidade de armazenamento podem, portanto, ser a chave para atingir as metas de neutralidade de carbono, tornando a pesquisa sobre o desempenho de baterias e capacitores de íons de lítio por meio do uso de novos materiais de suma importância.

Construindo um novo material

Materiais carbonáceos dopados com nitrogênio são a escolha dominante atual em baterias de armazenamento de lítio e capacitores, com transferência de elétrons e íons os processos fundamentais para o armazenamento de energia eletroquímica. No entanto, como os materiais carbonáceos são apolares - com cargas distribuídas igualmente em suas moléculas - o lítio carregado (Li ⁺ ) não adere facilmente aos materiais, apesar de sua configuração insaturada que lhe confere uma energia de ligação adequada.

Os pesquisadores, portanto, entrelaçaram nanofibras de carbono com ferro (Fe) para regular sua química de superfície para facilitar o aumento da transferência de elétrons e íons. Usando eletrofiação, eles produziram uma série de amostras de nanofibras de carbono com teores de Fe. Eles então avaliaram o Li ⁺ desempenho de armazenamento das amostras usando uma variedade de métodos de teste eletroquímico. Scanning and transmission electron microscopy revealed a 3D interconnected network of smooth fibers with no clumps of iron particles, indicating that they were well dispersed.

The results revealed that adding atomic Fe changed the electronic structure of the carbon materials to promote more electrical conductivity as well as reduce the diffusion resistance of the Li ⁺ . The researchers explain that the electrochemical performance was enhanced mainly through a synergistic effect of the atomic Fe and the formation of an Fe-N bond that exposed more active sties to which Li ⁺ could adhere. The outcome was improvement in lithium storage performance. The manufactured anode delivered sustained electric power through 5000 cycles of high current density, providing both high energy and large power density. Its interlaced fiber structure conferred structural stability and improved conductivity.

Study author Yanan Li, also a researcher at the China University of Petroleum, explains how the materials conformation pioneered in this study "achieved kinetically accelerated Li ⁺ storage and decent performance at high mass loadings," using "a simple method to produce atomic Fe decorated carbon nanofibers."

Looking forward

The study authors emphasize that the use of carbon nanofibers could bridge the gap between basic research and practical applications. They anticipate adoption of the novel material for use in a range of energy storage devices. "The electrospun carbon nanofiber mats are highly flexible, suggesting their possibility of constructing flexible and wearable energy storage devices," says Hu. The carbon nanofiber mats would serve as the electrodes. Also, say the researchers, they aim to explore the use of other single atom metals sodium, potassium, and zinc for augmenting storage of electrochemical energy. + Explorar mais

Eliminating the bottlenecks in performance of lithium-sulfur batteries