O mercado de armazenamento de energia elétrica e portátil tem sido dominado por baterias de íons de lítio (LIBs) e supercapacitores, superando outros sistemas de armazenamento de energia em sua capacidade de fornecer maior energia e potência.



No entanto, em aplicações críticas, como veículos elétricos, há uma demanda crescente por um dispositivo que possa produzir com eficiência tanto alta potência quanto alta energia ao longo de um número significativo de ciclos. O cumprimento destes padrões rigorosos apresenta novos desafios para as tecnologias existentes, levando os investigadores a explorar tecnologias alternativas para dispositivos de armazenamento de energia.

Uma estratégia promissora é modificar o ânodo de carbono duro de alta condutividade, que apresenta excelente estabilidade estrutural, para combiná-lo com um cátodo de carvão ativado, criando assim um LIC (capacitor de íon de lítio) de duplo carbono. Em um estudo recente, uma estratégia de expansão in-situ e dopagem de heteroátomos em um único recipiente foi empregada para preparar carbono duro em forma de folha, enquanto o carvão ativado foi obtido através de processos de ativação.

"No entanto, a incompatibilidade da cinética iônica entre o cátodo e o ânodo pode levar a um ciclo de vida insatisfeito e à degradação do ânodo", explicou Yingxiong Wang, correspondente de um novo estudo que abordou essa limitação. "Usamos um método especial para criar dois tipos de materiais de carbono:carbono duro em forma de folha e carvão ativado."

Wang e seus colegas usaram persulfato de amônio para ajudar a expandir e modificar o carbono duro, tornando-o melhor para uso em baterias. Os materiais de carbono, conhecidos como FRNS-HC e FRNS-AC, foram feitos a partir de resíduos de furfural, que são sobras de uma substância natural. Eles foram então testados em LIBs.

"Os resultados foram impressionantes:quando o FRNS-HC foi usado como parte negativa da bateria, ele pode armazenar 374 mAh g ^-1 em baixo nível de energia e 123,1 mAh g ^-1 em um nível de potência mais alto", disse Wang. "Quando combinada com um material de carbono poroso especial como a parte positiva da bateria, toda a bateria mostrou uma alta energia específica de 147,67 Wh kg ^-1 , com uma potência de cerca de 199,93 W kg ^-1 ."

Notavelmente, a bateria também durou muito tempo, quase sem perda de desempenho, mesmo depois de ser carregada e descarregada 1.000 vezes. A equipe publicou suas descobertas em Green Energy &Environment .

“Recomendamos o uso de matérias-primas baseadas em biomassa como precursores de carbono, juntamente com técnicas de síntese eficientes e ecológicas”, disse Wang. "Este estudo oferece uma abordagem promissora para criar carbono poroso dopado com heteroátomos a partir de resíduos de biomassa e possui grande potencial para o avanço de dispositivos de alta densidade energética."

Mais informações: Xiaoying Guo et al, Resíduos de furfural derivados de carbono tipo folha co-dopado com nitrogênio-enxofre:Um excelente eletrodo para capacitores de íon-lítio de carbono duplo, Energia Verde e Meio Ambiente (2023). DOI:10.1016/j.gee.2023.05.007
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