A nova conceção núcleo-casca para ânodos aumenta significativamente o desempenho das baterias de iões de sódio

A perda irreversível da capacidade de armazenamento durante a primeira carga - enquanto a bateria ainda está a ser fabricada - é causada por uma reação química entre o ânodo e o eletrólito, o líquido condutor da bateria. Durante este processo, as moléculas do eletrólito decompõem-se no ânodo de carbono duro e penetram nos seus poros. Ocupam "espaços vazios" que, na realidade, se destinam ao armazenamento de iões de sódio. Este processo só termina quando se forma uma película protetora estável sobre o ânodo.

A película protege o ânodo de uma maior decomposição pelo eletrólito, mas consome uma parte da energia armazenada, uma vez que ela própria é parcialmente constituída por iões de sódio. Por conseguinte, liga os portadores de carga que são responsáveis pelo transporte de carga na bateria.

Necessidade de um novo material anódico

Este problema quase nunca ocorre nas baterias de iões de lítio, porque a camada protetora forma-se mais facilmente nos seus densos ânodos de grafite, o que significa que a eficiência da bateria é normalmente superior a 90 por cento. No entanto, o sódio não pode ser armazenado na grafite. Por isso, este tipo de bateria requer geralmente um material de ânodo diferente, e os chamados carbonos duros provaram ser a melhor escolha neste caso - exceto no que diz respeito às desvantagens acima mencionadas durante o primeiro processo de carregamento.

Design inovador de núcleo-casca

Para resolver este problema, a equipa da BAM desenvolveu uma conceção inovadora de núcleo-casca para o ânodo. "Apercebemo-nos de que não é possível obter grandes capacidades de armazenamento e uma formação eficiente de película com baterias de iões de sódio utilizando um único material", explica Tim-Patrick Fellinger, especialista da BAM em materiais energéticos. "Isto deve-se ao facto de os materiais mais adequados para o armazenamento serem mais propensos a perdas durante a formação da película."

Os investigadores desenvolveram um processo no qual revestem um carbono duro poroso, semelhante a uma esponja, como material de armazenamento no núcleo do ânodo, com uma camada muito fina que actua como um filtro: permite a passagem dos iões de sódio desejados, mas mantém as moléculas de eletrólito perturbadoras fora. Isto preserva a capacidade de armazenamento do ânodo e permite que a bateria mantenha o seu desempenho ao longo de muitos ciclos de carregamento. O material personalizado é baseado em carvão ativado, um material barato e amigo do ambiente, o que também torna a tecnologia economicamente atractiva. Os resultados foram agora publicados na revista Angewandte Chemie.

Melhoria simultânea da eficiência e da capacidade de armazenamento

Os materiais desenvolvidos no estudo já atingem uma eficiência inicial de 82% - sem revestimento, é de 18%. A equipa do BAM considera provável um maior progresso. "A separação da 'formação', o termo técnico para a formação da película, e do armazenamento permite a melhoria simultânea da eficiência e da capacidade de armazenamento através do desenvolvimento de materiais separados. Até agora, os avanços nas baterias têm sido conseguidos principalmente através de inovações de materiais no lado do cátodo. Neste domínio, estamos próximos dos limites teóricos. Com os materiais do ânodo, por outro lado, ainda é completamente incerto onde se situam esses limites e quais as inovações no desenvolvimento de materiais - palavra-chave: Materiais Avançados - que podem ser utilizadas para alcançar novos progressos", diz Paul Appel da equipa.

Desenvolvimento adicional no Laboratório de Baterias de Berlim

O material do ânodo será desenvolvido no Berlin Battery Lab (BBL), uma colaboração entre a BAM, o Helmholtz Zentrum Berlin e a Humboldt Universität Berlin. O Laboratório de Baterias de Berlim reúne a experiência de ponta das três instituições de investigação no domínio das tecnologias de baterias sustentáveis e oferece à indústria uma plataforma única que acelera a tradução de inovações em produtos prontos para o mercado.