Novo design de bateria de iões de lítio poderá alimentar veículos eléctricos e dispositivos portáteis de maior duração
A Universidade de Surrey desenvolve um ânodo de bateria com uma capacidade quase máxima de silício
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Investigadores do Instituto de Tecnologia Avançada (ATI) da Universidade de Surrey desenvolveram uma nova conceção de bateria que poderá aumentar significativamente a autonomia dos veículos eléctricos e o tempo de vida dos aparelhos electrónicos portáteis.
Num estudo publicado na revista ACS Applied Energy Materials, os investigadores apresentam um novo ânodo para baterias de iões de lítio que proporciona algumas das mais elevadas capacidades de armazenamento de energia registadas para sistemas de nanotubos de silício-carbono, mantendo a estabilidade ao longo de centenas de ciclos de carga.
As baterias de iões de lítio alimentam grande parte da tecnologia moderna - desde os smartphones e os aparelhos portáteis até aos veículos eléctricos. O grafite, o material anódico mais utilizado, é estável mas limitado na quantidade de energia que pode armazenar. O silício, por outro lado, oferece uma capacidade muito maior, mas expande-se durante o carregamento, provocando fissuras e degradação ao longo do tempo.
Para ultrapassar esta situação, a equipa de investigação desenvolveu uma nova estrutura "Vertically Integrated Silicon-Carbon Nanotube" (VISiCNT). A conceção faz crescer densas florestas de nanotubos de carbono diretamente sobre uma folha de cobre e reveste-as com uma fina camada de silício, criando uma estrutura flexível e condutora que pode absorver a expansão mantendo o desempenho.
O ânodo resultante pode armazenar uma quantidade muito grande de energia para o seu peso. Em testes laboratoriais, armazenou mais de 3500 miliamperes-hora por grama - perto do máximo possível para o silício e muito mais do que a grafite (370 mAh/g) utilizada nas baterias actuais. Também demonstrou uma maior estabilidade e desempenho ao longo de ciclos de carga repetidos.
O Dr. Muhammad Ahmad, investigador do ATI da Universidade de Surrey e principal autor do estudo, afirmou: "Tem havido um impulso crescente para a inovação das baterias, uma vez que muitas das tecnologias actuais estão limitadas pela quantidade de energia que as baterias podem armazenar. O nosso desenho VISiCNT oferece uma via prática para aproveitar a enorme capacidade de armazenamento do silício sem sacrificar a duração do ciclo.
"Trata-se de um avanço muito necessário, que proporciona uma capacidade muito elevada, um carregamento rápido e uma durabilidade a longo prazo, ao mesmo tempo que nos aproxima de baterias que podem alimentar veículos eléctricos e dispositivos do dia a dia durante muito mais tempo com um único carregamento".
Uma das principais vantagens da nova abordagem é que os nanotubos de carbono são cultivados diretamente sobre o cobre - o material já utilizado nas baterias comerciais - utilizando um processo de fabrico escalável. Este facto poderá facilitar a integração da tecnologia nas linhas de produção industrial existentes.
O Professor Ravi Silva, Investigador Principal e Diretor do ATI, afirmou: "Este trabalho é um passo importante para que os ânodos de CNT-silício saiam do laboratório e passem a ser fabricados no mundo real. Podemos fazer crescer estruturas de nanotubos de carbono diretamente sobre uma folha de cobre a grande velocidade e adaptar a camada de silício para garantir a sua estabilidade, o que significa que esta abordagem pode ser integrada nas linhas de produção de baterias existentes com um mínimo de perturbações. A tecnologia tem um potencial claro não só para os veículos eléctricos, mas também para o armazenamento na rede e para as baterias mais pequenas utilizadas na microeletrónica.
"Estamos muito orgulhosos de apresentar mais uma tecnologia de CNT, depois da nossa investigação inicial para produzir o material mais escuro do mundo, o VANTA-Black, através da Surrey NanoSystems Ltd., que está a mostrar o impacto no mundo real da investigação fundamental financiada pelo UKRI".
À medida que a procura de armazenamento de energia aumenta, as baterias terão de armazenar mais energia, carregar mais rapidamente e durar mais tempo para apoiar a transição do Reino Unido para o Net Zero. A conceção do VISiCNT oferece uma via promissora para responder a estes desafios e poderá ser fundamental para alimentar os veículos e telefones eléctricos da próxima geração.
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