Novos ânodos ajudam o lítio

Este artigo faz parte da nossa série exclusiva IEEE Journal Watch em parceria com o IEEE Xplore.

Pesquisadores criaram um novo design de bateria de íons de lítio que permite um melhor fluxo de elétrons através de seu ânodo, melhorando drasticamente a capacidade da bateria e reduzindo pela metade o tempo necessário para carregar. O avanço é descrito em um estudo publicado em 14 de abril no IEEE Journal on Flexible Electronics.

Os veículos elétricos são uma maneira fundamental de reduzir as emissões de gases de efeito estufa. Mas as baterias de íon-lítio nesses carros ainda demoram um pouco para carregar, o que pode impedir algumas pessoas de adotar a tecnologia.

"Existe uma enorme necessidade de inovação em baterias que possam oferecer capacidade de carregamento rápido com vida útil [da bateria] mais longa", diz Himanaga Emani, um Ph.D. assistente de pesquisa no departamento de engenharia elétrica e de computação da Western Michigan University e que esteve envolvido no estudo.

Atualmente, as baterias de íon-lítio usadas em veículos elétricos possuem ânodos feitos de grafite, mas os pesquisadores vêm explorando o uso de outros materiais, como o grafeno. O grafeno é composto de finas camadas de carbono, que supera o grafite como condutor de eletricidade. No entanto, simplesmente usar materiais diferentes pode não ser suficiente para dar às baterias o aumento de carga necessário.

Os pesquisadores descobriram que perfurar as redes de poros secundários (SPNs) em escala micrométrica [esquerda] no ânodo da bateria melhorou a taxa geral de carregamento e a retenção de capacidade da bateria.West Michigan University/IEEE

Portanto, Emani e sua equipe usaram a estruturação a laser para criar uma rede de poros ao longo de seu novo ânodo de grafeno. Esses pequenos orifícios permitem que os elétrons fluam mais facilmente através do ânodo, levando a um tempo de carregamento mais rápido. Enquanto as baterias de íon-lítio comerciais de hoje com ânodos de grafite têm uma capacidade teórica de 372 miliamperes-hora por grama, o novo ânodo de grafeno proposto pelos pesquisadores com seus poros pode fornecer uma capacidade de mais de 700 mAh/g.

Os pesquisadores testaram seu novo ânodo em uma série de experimentos com tempos de carregamento entre 10 minutos e 2 horas em temperatura ambiente. Os resultados mostram que, em períodos de carregamento superiores a uma hora, os novos ânodos com poros não tiveram efeito significativo na capacidade da bateria em comparação com os ânodos convencionais. Mas quando os tempos de carregamento eram inferiores a uma hora, o ânodo de grafeno com poros era duas vezes mais rápido que os ânodos convencionais.

"Em termos simples, uma bateria comercial que pode levar uma hora para carregar pode ser carregada em menos de 30 minutos, com base em nossos resultados", diz Emani.

É importante ressaltar que as novas baterias mantêm sua capacidade após o uso repetido. Normalmente, as baterias perdem sua capacidade à medida que passam por vários ciclos de carregamento. Neste estudo, as células com os esporos mostraram retenção de capacidade superior – perto de 90 por cento – em comparação com células sem os poros – em apenas 38 por cento – após 200 ciclos de carga.

Este estudo analisou os novos ânodos na forma de células de moeda à temperatura ambiente, observa Emani. "Antes de entrar no mercado, gostaríamos de testar essas baterias em bolsas, células cilíndricas e prismáticas, uma vez que esses são os tipos básicos mais usados ​​de configurações de bateria [usadas] em veículos elétricos".

A equipe também está interessada em estudar esses ânodos porosos em diferentes temperaturas. “Este é um parâmetro fundamental, uma vez que as baterias usadas em veículos elétricos experimentam uma ampla gama de temperaturas, dependendo da localização geográfica, do clima e das estações do ano, para melhorar ainda mais o desempenho das baterias em condições adversas”, diz ele.