Figura 1. Um material de ânodo de base biológica para carregamento ultrarrápido de bateria. Poli (benzimidazol), o precursor do anodematerial proposto, pode ser derivado de processos biológicos e processado facilmente para criar baterias de íon-lítio de carregamento rápido. Sua adoção em veículos elétricos os tornará mais atraentes para os consumidores em relação aos carros convencionais, levando a ambientes mais limpos e emissões reduzidas de CO2. Crédito: Noriyoshi Matsumi de JAIST

O material de ânodo estável proposto, feito com polímeros de base biológica, poderia desbloquear o carregamento de bateria extremamente rápido para veículos elétricos.

Com as preocupações com as mudanças climáticas, um número cada vez maior de pesquisadores está atualmente se concentrando em melhorar os veículos elétricos (VEs) para torná-los uma alternativa mais atraente aos carros convencionais a gás. A melhoria da bateria para EVs é, portanto, uma questão chave. Além de segurança, autonomia e durabilidade, a maioria das pessoas deseja rapidez no carregamento. Atualmente, leva 40 minutos para os EVs de última geração recarregarem, enquanto os carros a gasolina podem ser ‘recarregados’ em não mais do que cinco minutos. O tempo de carregamento deve ser inferior a 15 minutos para ser uma opção viável.

As baterias de íon-lítio (LIBs), que são usadas em todos os lugares com dispositivos eletrônicos portáteis, são uma opção na área de VEs, e novas estratégias estão sempre sendo buscadas para melhorar seu desempenho. Uma forma de diminuir o tempo de carregamento dos LIBs é aumentar a taxa de difusão dos íons de lítio, o que, por sua vez, pode ser feito aumentando a distância entre as camadas nos materiais à base de carbono usados ​​no ânodo da bateria. Embora isso tenha sido alcançado com algum sucesso pela introdução de impurezas de nitrogênio (tecnicamente referidas como dopagem de nitrogênio), não há método facilmente disponível para controlar a distância entre camadas ou para concentrar o elemento de dopagem.

Contra esse pano de fundo, uma equipe de cientistas do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST) desenvolveu recentemente uma abordagem para a fabricação de ânodos que pode levar a um carregamento extremamente rápido de LIBs. A equipe, liderada pelo Prof. Noriyoshi Matsumi, consiste no Prof. Tatsuo Kaneko, Professor Sênior Rajashekar Badam, Especialista Técnico JAIST Koichi Higashimine, Pesquisador JAIST Yueying Peng e estudante JAIST Kottisa Sumala Patnaik. Suas descobertas foram publicadas online em 24 de novembro de 2021 na Chemical Communications.

Sua estratégia constitui uma maneira relativamente simples, ambientalmente correta e altamente eficiente de produzir um ânodo à base de carbono com um conteúdo de nitrogênio muito alto. O material precursor do ânodo é o poli (benzimidazol), um polímero de base biológica que pode ser sintetizado a partir de matérias-primas de origem biológica. Ao calcinar este material termicamente estável a 800 ° C, a equipe conseguiu preparar um ânodo de carbono com um teor de nitrogênio recorde de 17 por cento em peso. Eles verificaram a síntese bem-sucedida desse material e estudaram sua composição e propriedades estruturais usando uma variedade de técnicas, incluindo microscopia eletrônica de varredura por tunelamento, espectroscopia Raman e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X.

Figura 2. Um material de ânodo altamente promissor para baterias de íon-lítio. Alguns dos principais recursos que tornam o material proposto ideal para carregamento rápido são o alto teor de nitrogênio e o espaçamento entre camadas aprimorado, que, coletivamente, permitem uma cinética de íon de lítio mais rápida, tanto através quanto entre as camadas. Para completar, o material do ânodo proposto é muito estável e retém a maior parte de sua capacidade original mesmo após milhares de ciclos. Crédito: Noriyoshi Matsumi de JAIST

Para testar o desempenho de seu ânodo e compará-lo com o grafite mais comum, os pesquisadores construíram meias-células e células cheias, e conduziram experimentos de carga-descarga. Os resultados foram muito promissores, já que o material do ânodo proposto se mostrou adequado para carregamento rápido, graças à sua cinética aprimorada de íons de lítio. Além disso, os testes de durabilidade mostraram que as baterias com o material de ânodo proposto retiveram cerca de 90 por cento de sua capacidade inicial, mesmo após 3.000 ciclos de carga-descarga em altas taxas, o que é consideravelmente mais do que a capacidade retida pelas células à base de grafite.

Empolgado com os resultados, o professor Matsumi diz: “A taxa de carregamento extremamente rápida com o material do ânodo que preparamos pode torná-lo adequado para uso em VEs. Tempos de carregamento muito mais curtos atrairão os consumidores para escolher VEs em vez de veículos a gasolina, levando em última análise para ambientes mais limpos em todas as grandes cidades do mundo. ”

Outra vantagem notável do material anódico proposto é o uso de um polímero de base biológica em sua síntese. Como uma tecnologia de baixo carbono, o material leva naturalmente a um efeito sinérgico que reduz ainda mais as emissões de CO2. Além disso, como diz o professor Matsumi, “O uso de nossa abordagem avançará o estudo das relações estrutura-propriedade em materiais anódicos com capacidade de carga-descarga rápida.”

Modificações na estrutura do precursor do polímero podem levar a um desempenho ainda melhor, o que pode ser relevante para as baterias não apenas de EVs, mas também de eletrônicos portáteis. Finalmente, o desenvolvimento de baterias altamente duráveis ​​diminuirá o consumo global de metais raros, que são recursos não renováveis.

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