Na busca por armazenamento sustentável de energia, pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, apresentam um novo conceito para fabricar materiais de eletrodo de alto desempenho para baterias de sódio. É baseado em um novo tipo de grafeno para armazenar um dos íons metálicos mais comuns e baratos do mundo – o sódio. Os resultados mostram que a capacidade pode corresponder às baterias de íon de lítio atuais.
Embora os íons de lítio funcionem bem para armazenamento de energia, o lítio é um metal caro, com preocupações em relação ao seu suprimento de longo prazo e às questões ambientais.
O sódio, por outro lado, é um metal abundante de baixo custo e um ingrediente principal na água do mar (e no sal de cozinha). Isso torna as baterias de íon de sódio uma alternativa interessante e sustentável para reduzir nossa necessidade de matérias-primas críticas. No entanto, um grande desafio é aumentar a capacidade.
No nível atual de desempenho, as baterias de íon de sódio não podem competir com as células de íon de lítio. Um fator limitante é o grafite, que é composto de camadas empilhadas de grafeno e usado como ânodo nas baterias de íon de lítio atuais.
Os íons se intercalam na grafite, o que significa que eles podem entrar e sair das camadas de grafeno e ser armazenados para uso de energia. Os íons de sódio são maiores do que os íons de lítio e interagem de maneira diferente. Portanto, eles não podem ser armazenados de forma eficiente na estrutura de grafite. Mas os pesquisadores Chalmers descobriram uma nova maneira de resolver isso.
“Adicionamos um espaçador de molécula em um lado da camada de grafeno. Quando as camadas são empilhadas, a molécula cria um espaço maior entre as folhas de grafeno e fornece um ponto de interação, o que leva a uma capacidade significativamente maior”, diz o pesquisador Jinhua Sun em Departamento de Ciência Industrial e de Materiais da Chalmers e primeiro autor do artigo científico, publicado na Science Advances.
Dez vezes a capacidade de energia do grafite padrão
Normalmente, a capacidade de intercalação de sódio na grafite padrão é de cerca de 35 miliamperes-hora por grama (mA h g-1). Isso é menos de um décimo da capacidade de intercalação de íons de lítio na grafite. Com o novo grafeno, a capacidade específica para íons de sódio é de 332 miliamperes-hora por grama – aproximando-se do valor do lítio no grafite. Os resultados também mostraram reversibilidade total e alta estabilidade de ciclagem.
“Foi muito empolgante observarmos a intercalação de íons sódio com tamanha capacidade. A pesquisa ainda está em um estágio inicial, mas os resultados são muito promissores. Isso mostra que é possível desenhar camadas de grafeno em uma estrutura ordenada adequada ao sódio íons, tornando-o comparável ao grafite “, diz o professor Aleksandar Matic, do Departamento de Física da Chalmers.
Grafeno “Divino” Janus abre portas para baterias sustentáveis
O estudo foi iniciado por Vincenzo Palermo em sua função anterior como vice-diretor do Graphene Flagship, um projeto financiado pela Comissão Europeia e coordenado pela Chalmers University of Technology.
O romance grafeno tem funcionalização química assimétrica em faces opostas e, portanto, é frequentemente chamado de Janus graphene, em homenagem ao antigo deus romano de duas faces, Janus – o Deus de novos começos, associado a portas e portões, e os primeiros passos de uma jornada. Neste caso, o grafeno de Janus se correlaciona bem com a mitologia romana, potencialmente abrindo portas para baterias de íon de sódio de alta capacidade.
“Nosso material Janus ainda está longe de aplicações industriais, mas os novos resultados mostram que podemos projetar as folhas de grafeno ultrafinas – e o pequeno espaço entre elas – para armazenamento de energia de alta capacidade. Estamos muito felizes em apresentar um conceito com custo -metais eficientes, abundantes e sustentáveis “, diz Vincenzo Palermo, professor afiliado do Departamento de Ciência Industrial e de Materiais da Chalmers.
Mais sobre o material: Janus grafeno com estrutura única
O material utilizado no estudo possui uma nanoestrutura artificial única. A face superior de cada folha de grafeno tem uma molécula que atua como espaçador e local de interação ativa para os íons de sódio. Cada molécula entre duas folhas de grafeno empilhadas é conectada por uma ligação covalente à folha de grafeno inferior e interage por meio de interações eletrostáticas com a folha de grafeno superior. As camadas de grafeno também têm tamanho de poro uniforme, densidade de funcionalização controlável e poucas bordas.
Publicado em 28/08/2021 08h18
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