Baterias de lítio 10 vezes melhores tornam-se realidade
Cada átomo de silício consegue manter até quatro átomos de lítio, contra um para cada seis de carbono, como usado hoje. Os buracos no grafeno fizeram o resto. [Imagem: Zhao et al.]

Baterias nota 10

Imagine um celular cuja bateria suporte mais de uma semana de operação e que possa ser recarregada em apenas 15 minutos.

Isto não depende mais de uma tecnologia a ser desenvolvida, graças a engenheiros da Universidade Northwestern, nos Estados Unidos.

Harold Kung e seus colegas desenvolveram um novo tipo de eletrodo para as atuais baterias de íons de lítio que pode fazer exatamente isso.

Eles conseguiram combinar duas abordagens químicas para resolver de uma vez só duas das maiores limitações das baterias recarregáveis – a capacidade energética e a taxa de carregamento.

Os novos eletrodos permitem que as baterias acumulem uma carga 10 vezes maior e, uma vez descarregadas, possam ser recarregadas em um tempo 10 vezes menor.

"Mesmo depois de 150 ciclos, o que equivale a um ano de operação, a bateria continua sendo cinco vezes mais eficiente do que as baterias de íons de lítio no mercado hoje," afirma o Dr. Kung.

As baterias de íons de lítio carregam através de uma reação química na qual os íons de lítio são transferidos entre as duas extremidades da bateria, o anodo e o catodo.

Conforme a energia da bateria é usada, os íons de lítio viajam do anodo, passando pelo eletrólito, até o catodo. Quando a bateria é recarregada, eles viajam na direção inversa.

Com a tecnologia atual, o desempenho de uma bateria de íons de lítio é limitada de duas formas:

Capacidade de energia

A capacidade de energia de uma bateria – quanto tempo a bateria pode manter sua carga – é limitada pela densidade de carga, ou quantos íons de lítio podem ser guardados no anodo ou no catodo.

Hoje o anodo é feito de camadas empilhadas de carbono, ou grafeno, só podendo acomodar um átomo de lítio para cada seis átomos de carbono.

Para aumentar a capacidade de energia, os cientistas já tentaram substituir o carbono pelo silício, já que o silício pode acomodar muito mais lítio : quatro átomos de lítio para cada átomo de silício.

No entanto, o silício se expande e contrai drasticamente no processo de carga, fragmentando-se e causando a perda de sua capacidade de recarregamento.

Os pesquisadores agora conseguiram estabilizar o silício colocando-o entre camadas de grafeno.

Eles ainda não atingiram o ideal, mas aumentaram muito a quantidade de íons de lítio armazenados, sem que o silício se esfarele.

Taxa de carga

O segundo problema é que a taxa de carga da bateria – a velocidade com que ela recarrega – é limitada por outro fator: a velocidade com que os íons de lítio podem fazer seu caminho do eletrólito até o anodo.

Atualmente, essa velocidade é prejudicada pelo formato das folhas de grafeno: elas são extremamente finas – apenas um átomo de carbono de espessura – mas são muito longas.

Isto força cada íon a percorrer um caminho muito longo, causando uma espécie de engarrafamento iônico nas bordas do material.

Os pesquisadores usaram um processo de oxidação química para criar buracos minúsculos (10 a 20 nanômetros) nas folhas de grafeno – chamadas de defeitos "no plano".

Assim, os íons de lítio ganharam vários "atalhos" para o anodo, aumentando sua velocidade e evitando o engarrafamento.

Isto reduziu o tempo de recarga da bateria em até 10 vezes.

Agora os cientistas vão se concentrar no eletrólito, tentando otimizá-lo para as novas condições de operação da bateria.

Segundo eles, a nova tecnologia poderá chegar ao mercado em cerca de três anos.

Bibliografia:

In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si-Graphene Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries
Xin Zhao, Cary M. Hayner, Mayfair C. Kung, Harold H. Kung
Advanced Energy Materials
Vol.: Article first published online

DOI: 10.1002/aenm.201100426
Fonte Inovação Tecnológica