Mecanismo de armazenamento de energia na bateria de íons de lítio mais fina possível
Uma equipe de cientistas da Universidade de Manchester alcançou um avanço significativo na compreensão do armazenamento de íons de lítio dentro do ânodo de bateria mais fino possível – composto de apenas duas camadas de átomos de carbono. Sua pesquisa, publicada em Comunicações da Natureza mostra um processo inesperado de ‘encenação no plano’ durante a intercalação de lítio em grafeno bicamada, o que pode abrir caminho para avanços em tecnologias de armazenamento de energia.
Baterias de íons de lítio, que alimentam tudo, de smartphones e laptops a veículos elétricos, armazenam energia por meio de um processo conhecido como intercalação de íons. Isso envolve íons de lítio deslizando entre camadas de grafite – um material tradicionalmente usado em ânodos de bateria, quando uma bateria é carregada. Quanto mais íons de lítio puderem ser inseridos e posteriormente extraídos, mais energia a bateria poderá armazenar e liberar. Embora esse processo seja bem conhecido, os detalhes microscópicos permaneceram obscuros. A descoberta da equipe de Manchester lança nova luz sobre esses detalhes ao se concentrar no grafeno bicamada, o menor material possível para ânodos de bateria, consistindo em apenas duas camadas atômicas de carbono.
Em seus experimentos, os pesquisadores substituíram o ânodo de grafite típico por grafeno bicamada e observaram o comportamento dos íons de lítio durante o processo de intercalação. Surpreendentemente, eles descobriram que os íons de lítio não se intercalam entre as duas camadas de uma só vez ou de forma aleatória. Em vez disso, o processo se desenrola em quatro estágios distintos, com os íons de lítio se organizando de forma ordenada em cada estágio. Cada estágio envolve a formação de redes hexagonais cada vez mais densas de íons de lítio.
Professora Irina Grigorieva que liderou a equipe de pesquisa, comentou, “a descoberta do ‘estadiamento no plano’ foi completamente inesperada. Ela revelou um nível muito maior de cooperação entre a rede de íons de lítio e a rede cristalina do grafeno do que se pensava anteriormente. Essa compreensão do processo de intercalação no nível atômico abre novos caminhos para otimizar baterias de íons de lítio e possivelmente explorar novos materiais para armazenamento aprimorado de energia.”
O estudo também revelou que o grafeno bicamada, embora ofereça novos insights, tem uma capacidade de armazenamento de lítio menor em comparação ao grafite tradicional. Isso se deve a uma triagem menos eficaz de interações entre íons de lítio carregados positivamente, levando a uma repulsão mais forte e fazendo com que os íons permaneçam mais distantes. Embora isso sugira que o grafeno bicamada pode não oferecer maior capacidade de armazenamento do que o grafite em massa, a descoberta de seu processo de intercalação exclusivo é um passo importante à frente. Também sugere o uso potencial de metais atomicamente finos para aumentar o efeito de triagem e possivelmente melhorar a capacidade de armazenamento no futuro.
Esta pesquisa pioneira não apenas aprofunda nossa compreensão da intercalação de íons de lítio, mas também estabelece as bases para o desenvolvimento de soluções de armazenamento de energia mais eficientes e sustentáveis. À medida que a demanda por baterias melhores continua a crescer, as descobertas desta pesquisa podem desempenhar um papel fundamental na formação da próxima geração de tecnologias de armazenamento de energia.
Instituto Nacional de Grafeno (NGI) é um centro de grafeno e materiais 2D líder mundial, focado em pesquisa fundamental. Com sede na Universidade de Manchester, onde o grafeno foi isolado pela primeira vez em 2004 pelos professores Sir Andre Geim e Sir Kostya Novoselov, é o lar de líderes em seu campo – uma comunidade de especialistas em pesquisa que oferecem descobertas transformadoras. Essa expertise é acompanhada por instalações de ponta de £ 13 milhões, como as maiores salas limpas de classe 5 e 6 na academia global, o que dá ao NGI as capacidades para avançar em aplicações industriais de sustentação em áreas-chave, incluindo: compósitos, membranas funcionais, energia, membranas para hidrogênio verde, materiais 2D de ultra-alto vácuo, nanomedicina, eletrônicos impressos baseados em 2D e caracterização.
