Mais fortes juntos: eléctrodos interligados aumentam o tempo de vida das pilhas de silício para além dos limites
Em termos práticos, isto significa que os veículos eléctricos podem viajar mais longe e os smartphones podem funcionar durante mais tempo utilizando a mesma bateria
Com o aumento da procura de baterias que armazenem mais energia e durem mais tempo - alimentando veículos eléctricos, drones e sistemas de armazenamento de energia - uma equipa de investigadores sul-coreanos introduziu uma abordagem inovadora para ultrapassar uma das principais limitações das baterias de iões de lítio convencionais (LIBs): interfaces instáveis entre eléctrodos e electrólitos.
A maior parte dos produtos electrónicos de consumo actuais - como smartphones e computadores portáteis - dependem de baterias à base de grafite. Embora a grafite ofereça estabilidade a longo prazo, a sua capacidade energética é insuficiente. O silício, pelo contrário, pode armazenar quase dez vezes mais iões de lítio, o que o torna um material promissor para a próxima geração de ânodos. No entanto, a principal desvantagem do silício é a sua dramática expansão e contração de volume durante a carga e a descarga, inchando até três vezes o seu tamanho original. Esta expansão e contração repetidas causam lacunas mecânicas entre o elétrodo e o eletrólito, degradando rapidamente o desempenho da bateria.
Para resolver este problema, os investigadores exploraram a substituição dos electrólitos líquidos por electrólitos sólidos ou de estado quase sólido (QSSE), que oferecem maior segurança e estabilidade. No entanto, os QSSEs continuam a ter dificuldade em manter o contacto total com o silício em expansão e contração, o que leva à separação e à perda de desempenho ao longo do tempo.
Agora, uma equipa de investigação em colaboração da POSTECH (Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang) e da Universidade de Sogang desenvolveu um sistema de elétrodo-eletrólito interligado in situ (IEE) que forma ligações químicas covalentes entre o elétrodo e o eletrólito. Ao contrário das baterias convencionais, em que os componentes apenas se tocam, o sistema IEE liga os dois numa estrutura quimicamente emaranhada, como tijolos unidos por argamassa endurecida, de modo a permanecerem firmemente ligados mesmo sob intensa tensão mecânica.
Os testes de desempenho eletroquímico revelaram uma diferença dramática: enquanto as baterias tradicionais perdiam capacidade após apenas alguns ciclos de carga-descarga, as que utilizavam a conceção IEE mantinham uma estabilidade a longo prazo. Mais notavelmente, a célula de bolsa baseada na IEE demonstrou uma densidade de energia de 403,7 Wh/kg e 1300 Wh/L, representando uma densidade de energia gravimétrica mais de 60% superior e quase o dobro da densidade de energia volumétrica em comparação com as LIBs comerciais típicas. Em termos práticos, isto significa que os veículos eléctricos podem viajar mais longe e os smartphones podem funcionar durante mais tempo utilizando uma bateria do mesmo tamanho.
"Este estudo oferece uma nova direção para os sistemas de armazenamento de energia da próxima geração que exigem simultaneamente uma elevada densidade energética e uma durabilidade a longo prazo", afirmou o Professor Soojin Park da POSTECH, que co-liderou o estudo. O Professor Jaegeon Ryu, da Universidade de Sogang, acrescentou: "A estratégia IEE é uma tecnologia-chave que pode acelerar a comercialização de baterias à base de silício, melhorando significativamente a estabilidade interfacial".
Esta investigação foi liderada pelo Professor Soojin Park (Departamento de Química, POSTECH), pelo Dr. Dong-Yeob Han, pelo Dr. Im-Kyung Han (Departamento de Ciência dos Materiais, POSTECH) e pelo Professor Jaegeon Ryu (Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, Universidade de Sogang). Os resultados foram recentemente publicados na revista Advanced Science, com o apoio do Korea Institute of Materials Science e do Korea Institute for Advancement of Technology.
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