Não-tecidos metálicos: material para as baterias do futuro
Start-up comercializa eléctrodos não tecidos: "Com a nossa tecnologia, temos a possibilidade de alcançar os fabricantes asiáticos e de sermos melhores"
As pilhas estão a tornar-se cada vez mais potentes. Uma descoberta feita por investigadores do Instituto Max Planck de Investigação Médica, em Heidelberg, poderá agora dar-lhes um impulso energético significativo. Uma equipa liderada pelo Diretor do Max Planck, Joachim Spatz, descobriu que o velo metálico como material de contacto nos eléctrodos das baterias acelera significativamente o transporte de carga dos iões metálicos, em particular. Isto torna possível a construção de eléctrodos significativamente mais espessos do que é habitual hoje em dia. Isto significa que metade do metal de contacto e outros materiais que não contribuem para o armazenamento de energia podem ser poupados. Desta forma, os investigadores podem aumentar significativamente a densidade energética das baterias.
O status quo: um compromisso entre densidade de energia e desempenho
"A base para isto é um mecanismo anteriormente desconhecido que descobrimos durante o transporte de iões nos eléctrodos", diz Joachim Spatz. Os eléctrodos das baterias são constituídos por um material de contacto e um material ativo. O material de contacto - atualmente uma folha de cobre para o terminal negativo das baterias de iões de lítio e uma folha de alumínio para o terminal positivo - tem apenas a tarefa de transportar a corrente de e para o elétrodo. O material ativo é o material de armazenamento real que absorve e liberta a carga durante a carga e a descarga. Atualmente, os fabricantes de pilhas utilizam grafite no terminal negativo e vários compostos inorgânicos contendo lítio no terminal positivo. O material ativo é poroso, de modo a ser penetrado pelo eletrólito líquido.
Embora os materiais activos habitualmente utilizados hoje em dia absorvam bastante carga, conduzem muito mal os iões. Os iões têm de migrar através do eletrólito líquido para o material ativo. Uma vez que se encontram embalados num invólucro de moléculas de eletrólito e são correspondentemente volumosos, só se movem lentamente através do eletrólito. E não se movem bem no próprio material ativo. Isto coloca os fabricantes de baterias perante um dilema: ou fazem os eléctrodos espessos para que a sua densidade energética seja a mais elevada possível - mas, nesse caso, as baterias em questão não podem ser carregadas e descarregadas rapidamente. Ou tornam os eléctrodos extremamente finos e aceitam que a densidade energética diminua para conseguirem uma carga e descarga rápidas. Com um compromisso entre as duas propriedades, os fabricantes de baterias acabam hoje por ter eléctrodos com uma espessura de cerca de um décimo de milímetro. Isto corresponde aproximadamente ao diâmetro de um cabelo humano.
Uma nova abordagem: transporte acelerado de iões através de uma dupla camada eléctrica
Num estudo publicado na revista especializada ACS Nano, a equipa de Heidelberg demonstrou agora uma forma de produzir eléctrodos que são pelo menos dez vezes mais espessos do que é habitual hoje em dia e que ainda podem ser carregados e descarregados rapidamente. Os investigadores demonstraram que os iões de lítio se desprendem do seu invólucro molecular sobre uma superfície de cobre, depositam-se aí e formam uma dupla camada eléctrica, a chamada camada de Helmholtz, com electrões que se acumulam sob a superfície metálica. "Utilizando um sistema de medição especialmente desenvolvido e cálculos teóricos, demonstrámos que os iões de lítio se deslocam através da camada de Helmholtz cerca de 56 vezes mais depressa do que através do eletrólito", afirma Joachim Spatz. "As superfícies metálicas são, portanto, uma espécie de autoestrada para os iões metálicos".
Se os iões metálicos se movem tão rapidamente através das superfícies metálicas, isto significa que faz sentido atravessar o material ativo com uma rede de auto-estradas metálicas para o transporte de iões. Foi exatamente isso que Joachim Spatz e a sua equipa fizeram. Os investigadores produziram não-tecidos a partir de fios metálicos com apenas alguns centésimos de milímetro de espessura. Em seguida, inseriram o material ativo nos não-tecidos metálicos. Isto permitiu-lhes utilizar apenas metade da quantidade de cobre necessária para os eléctrodos de folha metálica convencionais. Mesmo que um elétrodo seja cerca de dez vezes mais espesso do que é habitual hoje em dia, os iões de lítio continuam a entrar e a sair do material ativo através de um velo tão rapidamente que é suficiente para utilização em carros eléctricos, por exemplo. O resultado final é que a densidade energética dos eléctrodos não tecidos é até 85% superior à dos eléctrodos de película.
Batene GmbH: uma start-up de eléctrodos não tecidos
"O fornecimento de carga a um material através de camadas bidimensionais não é de modo algum eficiente", diz Joachim Spatz, apontando o exemplo da natureza: fornece organismos através de uma rede tridimensional de vasos. "É esse o objetivo da nossa tecnologia: uma rede de abastecimento 3D para portadores de carga que pode ser utilizada para carregar e descarregar baterias de forma eficiente."
Os eléctrodos não tecidos não só são significativamente mais eficientes do que os eléctrodos em película, como também são mais fáceis e baratos de produzir. Isto porque, na produção das baterias actuais, os fabricantes têm de aplicar as finas camadas de material ativo às folhas de contacto num processo complexo, utilizando por vezes solventes tóxicos. Em contrapartida, o material ativo pode ser aplicado aos não-tecidos sob a forma de pó. "Com o enchimento a seco, podemos provavelmente poupar 30 a 40 por cento dos custos de produção e as instalações de produção precisam de um terço menos de espaço", diz Joachim Spatz.
Como o investigador vê um grande potencial nos eléctrodos não tecidos, já fundou uma start-up que está a desenvolver a tecnologia de baterias até à maturidade do mercado, em conjunto com grandes fabricantes de automóveis, por exemplo. Joachim Spatz está convencido de que isto também pode melhorar as hipóteses competitivas dos fabricantes alemães na tecnologia de baterias em rápido desenvolvimento: "Com a nossa tecnologia, temos a oportunidade de alcançar os fabricantes asiáticos e sermos melhores."
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