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Um novo método para revestir os cátodos das baterias de iões de lítio com grafeno prolonga a vida e o desempenho destas baterias recarregáveis amplamente utilizadas.
De acordo com o Cienciaplus, esta descoberta pode reduzir a dependência do cobalto, um elemento frequentemente utilizado nas baterias de iões de lítio e que é difícil de obter de forma sustentável.
David Boyd, investigador principal do Caltech, trabalhou durante a última década no desenvolvimento de técnicas para produzir grafeno, uma camada de carbono com um átomo de espessura que é incrivelmente forte e conduz eletricidade mais facilmente do que materiais como o silício.
Em 2015, Boyd e os seus colegas descobriram que o grafeno de alta qualidade podia ser produzido à temperatura ambiente. Antes disso, a produção de grafeno exigia temperaturas extremamente elevadas, até 1000 graus Celsius.
Após esta descoberta, iniciou-se a procura de novas aplicações para o grafeno. Recentemente, Boyd juntou-se a Will West, um tecnólogo do JPL, que o Caltech gere para a NASA.
West é especialista em eletroquímica e, em particular, no desenvolvimento de tecnologias melhoradas para baterias. Boyd e West propuseram-se verificar se o grafeno poderia criar uma bateria de iões de lítio melhorada. Agora demonstraram que sim.
“Demonstrar uma tendência fiável no desempenho das células de bateria requer materiais consistentes, uma montagem consistente das células e testes cuidadosos sob uma variedade de condições”, afirma Brent Fultz, professor de Ciência dos Materiais e Física Aplicada no Caltech.
“É uma sorte que a equipa tenha sido capaz de fazer este trabalho de uma forma tão reprodutível, embora tenha levado algum tempo para ter a certeza”.
A bateria de iões de lítio, introduzida no mercado pela primeira vez em 1991, revolucionou a forma como utilizamos a eletricidade no nosso dia a dia.
Dos telemóveis aos veículos elétricos, confiamos nas baterias de iões de lítio como uma fonte de energia relativamente barata, eficiente em termos energéticos e, mais importante, recarregável em movimento.
Apesar dos seus êxitos, a tecnologia das baterias de iões de lítio ainda pode ser melhorada. Por exemplo, Boyd diz que “os engenheiros da Tesla querem uma bateria económica que possa carregar rapidamente e funcionar durante um período de tempo mais longo entre carregamentos. A isso chama-se capacidade de taxa de carga.
West acrescenta que “quanto mais vezes uma bateria puder ser carregada ao longo da sua vida útil, menos baterias terá de utilizar. Isto é importante porque as baterias de iões de lítio utilizam recursos limitados e a eliminação das células de iões de lítio de forma segura e eficiente é uma tarefa muito difícil.
Uma característica importante das baterias de iões de lítio é o seu desempenho após muitos ciclos de carga e utilização.
As pilhas funcionam criando energia química entre as duas extremidades da pilha — o cátodo e o ânodo — e convertendo-a em energia elétrica.
Como os produtos químicos do cátodo e do ânodo funcionam ao longo do tempo, podem não recuperar totalmente o seu estado original.
Um problema comum é a dissolução dos metais de transição do material catódico, que é particularmente grave para os materiais catódicos com um elevado teor de manganês, embora menos grave para os materiais catódicos com um elevado teor de cobalto.
“Como resultado de reações laterais indesejadas que ocorrem durante o ciclo, os metais de transição no cátodo acabam gradualmente no ânodo, onde ficam presos e reduzem o desempenho do ânodo”, explica Boyd.
Esta dissolução do metal de transição é uma das razões pelas quais são utilizados cátodos caros com cobalto, em vez de cátodos baratos com elevado teor de manganês.
Outro desafio para as baterias de iões de lítio é o facto de necessitarem de metais que são caros, escassos e nem sempre extraídos de forma responsável. Uma quantidade significativa do fornecimento mundial de cobalto, em particular, está concentrada na República Democrática do Congo, e grande parte desse cobalto é extraído pelos chamados mineiros artesanais: trabalhadores independentes, incluindo crianças, que efetuam trabalhos físicos perigosos e exigentes por pouca ou nenhuma remuneração.
Têm-se procurado formas de aumentar o desempenho das baterias, reduzindo ou eliminando a utilização de cobalto e evitando as DTM.
Os engenheiros sabiam que os revestimentos de carbono no cátodo de uma bateria de iões de lítio poderiam retardar ou parar a DTM, mas foi difícil desenvolver um método para aplicar esses revestimentos.
“Os investigadores tentaram depositar grafeno diretamente no material do cátodo, mas as condições de processo normalmente necessárias para depositar grafeno destruiriam o material do cátodo”, explica Boyd.
“Investigámos uma nova técnica para depositar grafeno sobre as partículas do cátodo, chamada revestimento seco. A ideia é ter uma substância “hospedeira” de partículas grandes e uma substância “convidada” de partículas minúsculas.
Ao misturá-las em determinadas condições, o sistema pode sofrer um fenómeno conhecido como “mistura ordenada”, em que as partículas convidadas revestem uniformemente as partículas hospedeiras”.
A tecnologia de revestimento a seco tem sido utilizada desde os anos 70 na indústria farmacêutica para prolongar o prazo de validade dos comprimidos, protegendo-os da humidade, da luz e do ar.
O revestimento a seco do cátodo com um composto de grafeno revelou-se bem sucedido em laboratório. O revestimento do grafeno reduziu drasticamente a TMD, duplicou simultaneamente o tempo de vida da bateria e permitiu que as baterias funcionassem numa gama de temperaturas um pouco mais alargada do que era possível anteriormente.
Este resultado surpreendeu os investigadores. Partiu-se do princípio de que apenas um revestimento contínuo poderia suprimir a TMD e que um revestimento seco composto por partículas não o poderia fazer.
Além disso, como o grafeno é uma forma de carbono, está amplamente disponível e é amigo do ambiente.
