Tecer os eléctrodos da bateria secundária com fibras e atá-los como cordas para maior durabilidade e desempenho
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Uma equipa de investigação conjunta liderada pelo Dr. Gyujin Song do Instituto de Investigação Energética da Coreia (Presidente: Yi, Chang-Keun, doravante designado por "KIER"), pelo Dr. Kwon-Hyung Lee da Universidade de Cambridge e pelo Professor Tae-Hee Kim da Universidade de Ulsan desenvolveu com sucesso uma nova tecnologia de fabrico por processo seco para eléctrodos de baterias secundárias que ultrapassa as limitações dos processos convencionais de fabrico de eléctrodos.
Células de tipo bolsa fabricadas com a tecnologia desenvolvida (a partir do topo, célula com ânodo de lítio metálico, célula com ânodo de grafite)
KOREA INSTITUTE OF ENERGY RESEARCH
A tecnologia desenvolvida pela equipa de investigação é um processo de fabrico a seco que forma uma estrutura fibrosa dupla no interior do elétrodo, criando simultaneamente fibras finas "tipo fio" e fibras grossas "tipo corda". Esta arquitetura de fibra dupla (dual-fibrous) permite que a tecnologia resolva simultaneamente os problemas de baixa resistência à mistura e de degradação do desempenho dos processos secos convencionais.
Os métodos de fabrico de eléctrodos para baterias secundárias dividem-se, em termos gerais, em processos húmidos e secos, dependendo da utilização ou não de um solvente. No processo húmido, é utilizado um aglutinante dissolvido num solvente como adesivo, o que garante uma mistura uniforme dos materiais dos eléctrodos. Devido à sua elevada fiabilidade de processo e às vantagens em termos de desempenho de segurança, o processo por via húmida é atualmente o método predominante utilizado para o fabrico de eléctrodos.
Aglutinante: um material polimérico utilizado no fabrico de eléctrodos de baterias secundárias que mantém juntos componentes como o material ativo (que armazena energia eléctrica) e o aditivo condutor (que transporta a corrente eléctrica), para que o elétrodo possa manter a sua forma de forma estável.
No entanto, depende de solventes orgânicos tóxicos, o que cria uma pesada carga ambiental, e o tempo necessário para a secagem e recuperação do solvente é longo, levando a elevados custos de produção. Como resultado, tem havido recentemente um interesse crescente no desenvolvimento de tecnologias de processo seco que não utilizem solventes.
O processo seco não utiliza solventes, o que permite um processamento mais rápido e ajuda a reduzir a poluição ambiental e o consumo de energia. No entanto, como não há solvente para dissolver o aglutinante, só pode ser utilizada uma gama limitada de materiais aglutinantes, como o politetrafluoroetileno (PTFE), que se estica em estruturas semelhantes a fibras e mantém fisicamente as partículas juntas.
PTFE (Politetrafluoroetileno): um material com excelente resistência ao calor e resistência química, amplamente conhecido no quotidiano como Teflon (uma marca da DuPont, EUA) utilizado para revestimentos de frigideiras.
Consequentemente, nos processos secos convencionais tem sido difícil misturar uniformemente os materiais dos eléctrodos, e a baixa coesão da mistura tem levado a preocupações persistentes de que o desempenho e a durabilidade das pilhas acabadas se degradam.
Para ultrapassar as limitações estruturais do processo seco, os investigadores não alteraram o material do aglutinante de PTFE convencional; em vez disso, controlaram a estrutura física do mesmo material para criar um aglutinante de PTFE com uma estrutura de "fibra dupla".
A equipa de investigação concebeu um processo original de várias etapas que divide a adição do ligante de uma única etapa em duas etapas. Primeiro, adicionam uma pequena quantidade de aglutinante e realizam uma etapa de mistura primária, formando uma rede fibrosa fina, "tipo fio", que liga densamente o material ativo e o aditivo condutor. Em seguida, numa etapa de mistura secundária, adicionam o restante aglutinante de modo a que, embora a rede fibrosa existente seja mantida, seja formada uma estrutura fibrosa adicional espessa e robusta "tipo corda".
A rede fibrosa fina e "tipo fio" resultante dispersa uniformemente os materiais constituintes, como o material ativo e o aditivo condutor, tornando assim as reacções mais uniformes e melhorando o desempenho da bateria. Além disso, as fibras grossas, "tipo corda", unem firmemente todo o elétrodo, aumentando significativamente a sua resistência e estabilidade mecânica e aumentando a durabilidade necessária para os processos de produção em massa.
Além disso, a análise utilizando o mapeamento eletroquímico da resistência à reação mostrou que todas as regiões do elétrodo apresentam uma cinética de reação e caraterísticas de resistência rápidas e uniformes. Este é um fator-chave para minimizar a perda de energia durante o funcionamento da bateria, evitando a degradação do desempenho em áreas específicas e prolongando assim a vida útil global da célula.
Nas avaliações de desempenho, o elétrodo seco desenvolvido pela equipa de investigação atingiu uma elevada capacidade de área de 10,1 mAh/cm². Uma célula de ânodo de lítio metálico do tipo bolsa que utiliza este elétrodo atingiu uma densidade de energia de 349 Wh/kg, cerca de 40% superior à dos eléctrodos comerciais, que ronda os 250 Wh/kg. Além disso, uma célula de bolsa que utiliza um ânodo de grafite atingiu uma densidade de energia de 291 Wh/kg, apresentando um valor cerca de 20% superior ao de uma célula de processo húmido nas mesmas condições.
O Dr. Gyujin Song, que liderou a investigação, declarou: "Este estudo é altamente significativo na medida em que estabelecemos uma tecnologia de processo original capaz de resolver simultaneamente os dois principais desafios dos eléctrodos secos: uniformidade eletroquímica e durabilidade mecânica. Esperamos que não só aumente a competitividade dos custos da indústria de baterias secundárias, como também seja aplicável a veículos eléctricos e sistemas de armazenamento de energia (ESS), que exigem uma elevada densidade energética."
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Kwon-Hyung Lee, Hyeongseok Shim, Sang Hyun Lee, Hyeong-Jong Kim, Chanhyun Park, Jingyu Choi, Seok-Ju Lee, Young-Kuk Hong, Jihong Lyu, Jin Chul Kim, Sijeong Park, Hyungyeon Cha, Wooyoung Jin, Jinsoo Kim, Sinho Choi, Sang-Young Lee, Sung-Kyun Jung, Michael De Volder, Tae-Hee Kim, Gyujin Song; "Dual-fibrous PTFE structure enabling uniform and thick dry electrodes for high-energy-density and long-lasting batteries"; Energy & Environmental Science, Volume 18, 2025
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