Melhorando baterias de íon de sódio com grafeno nanocelular mecanicamente robusto
Ilustração esquemática para a formação de NCG durante a transferência de metal líquido de uma liga amorfa de manganês-carbono (Mn-C) em um bismuto fundido (Bi) para induzir a dissolução seletiva de átomos de manganês (Mn) e auto-organização de carbono (C) átomos em camadas de grafeno. Crédito:Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202311792 Desde a sua descoberta em 2004, o grafeno tem revolucionado o campo da ciência dos materiais e muito mais. O grafeno compreende folhas bidimensionais de átomos de carbono, ligados em uma forma hexagonal fina com a espessura de uma camada de átomos. Isto lhe confere propriedades físicas e químicas notáveis.
Apesar de sua espessura, o grafeno é incrivelmente forte, leve, flexível e transparente. Também exibe extraordinária condutividade elétrica e térmica, alta área superficial e impermeabilidade a gases. De transistores de alta velocidade a biossensores, possui uma versatilidade incomparável em aplicações.
O grafeno nanocelular (NCG) é uma forma especializada de grafeno que atinge uma grande área de superfície específica empilhando múltiplas camadas de grafeno e controlando sua estrutura interna com uma morfologia celular em nanoescala.
O NCG é cobiçado pelo seu potencial para melhorar o desempenho de dispositivos eletrônicos, dispositivos de energia e sensores. Mas o seu desenvolvimento tem sido dificultado por defeitos que ocorrem durante o processo de fabricação. Freqüentemente aparecem rachaduras durante a formação de GNC, e os cientistas estão procurando novas tecnologias de processamento que possam fabricar GNCs homogêneos, sem rachaduras e sem emendas em escalas apropriadas.
"Descobrimos que os átomos de carbono se automontam rapidamente em NCG livre de rachaduras durante a transferência de metal líquido de um precursor amorfo de Mn-C em um bismuto fundido", diz Won-Young Park, um estudante de pós-graduação da Universidade de Tohoku.
As descobertas foram publicadas na revista Advanced Materials .
Dealloying é uma técnica de processamento que explora a miscibilidade variável dos componentes da liga em um banho de metal fundido. Este processo corrói seletivamente certos componentes da liga enquanto preserva outros.
Park e seus colegas demonstraram que os NCGs desenvolvidos por este método exibiam alta resistência à tração e alta condutividade após a grafitização. Além disso, colocaram o material à prova em uma bateria de íons de sódio (SIB).
"Usamos o NCG desenvolvido como material ativo e coletor de corrente em um SIB, onde demonstrou alta taxa, longa vida útil e excelente resistência à deformação. Em última análise, nosso método de fabricar NCG sem trincas tornará possível aumentar o desempenho e flexibilidade dos SIBs – uma tecnologia alternativa às baterias de íons de lítio para determinadas aplicações, particularmente em armazenamento de energia em grande escala e sistemas de energia estacionários, onde considerações de custo, segurança e sustentabilidade são fundamentais."
