Uma equipe internacional de cientistas da NUST MISIS, da Academia Russa de Ciências e da Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf descobriu que, em vez de lítio (Li), o sódio (Na) “empilhado” de uma maneira especial pode ser usado para a produção de baterias. As baterias de sódio seriam significativamente mais baratas e equivalentes ou ainda mais espaçosas que as baterias de lítio existentes. Os resultados do estudo estão publicados na revista Nano Energy.

É difícil exagerar o papel das baterias de íons de lítio na vida moderna. Essas baterias são usadas em qualquer lugar: em telefones celulares, laptops, câmeras, bem como em vários tipos de veículos e naves espaciais. As baterias de íon de lítio entraram no mercado em 1991 e, em 2019, seus inventores receberam o Prêmio Nobel de química por sua contribuição revolucionária ao desenvolvimento da tecnologia. Ao mesmo tempo, o lítio é um metal alcalino caro e suas reservas são globalmente limitadas. Atualmente, não há alternativa remotamente eficaz para baterias de íon-lítio. Devido ao fato de o lítio ser um dos elementos químicos mais leves, é muito difícil substituí-lo para criar baterias espaçosas.

A equipe de cientistas da NUST MISIS, da Academia Russa de Ciências e do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, liderada pelo professor Arkadiy Krashennikov, propõe uma alternativa. Eles descobriram que se os átomos dentro da amostra são “empilhados” de uma certa maneira, outros metais alcalinos que não o lítio também demonstram alta intensidade de energia. O substituto mais promissor para o lítio é o sódio (Na), uma vez que um arranjo de duas camadas de átomos de sódio em sanduíche de bigraphen demonstra capacidade de ânodo comparável à capacidade de um ânodo de grafite convencional em baterias de íon de lítio – cerca de 335 mA*h/g contra 372 mA*h/g para lítio. No entanto, o sódio é muito mais comum que o lítio e, portanto, mais barato e mais facilmente obtido.

Uma maneira especial de empilhar átomos é colocá-los um acima do outro. Essa estrutura é criada transferindo átomos de um pedaço de metal para o espaço entre duas folhas de grafeno sob alta tensão, o que simula o processo de carregamento de uma bateria. No final, parece um sanduíche composto por uma camada de carbono, duas camadas de metal alcalino e outra camada de carbono.

Ilya Chepkasov, pesquisadora do Laboratório de Nanomateriais Inorgânicos NUST MISIS, diz: “Durante muito tempo, acreditava-se que os átomos de lítio nas baterias só poderiam estar localizados em uma camada, caso contrário, o sistema será instável. Colegas alemães mostraram que, com uma cuidadosa seleção de métodos, é possível criar estruturas de lítio estáveis ​​em multicamadas entre as camadas de grafeno, o que abre amplas perspectivas para o aumento da capacidade de tais estruturas, portanto, estávamos interessados ​​em estudar a possibilidade de formar estruturas multicamadas. com outros metais alcalinos, incluindo sódio, usando simulação por computador”.

Zakhar Popov, pesquisador sênior do Laboratório de Nanomateriais Inorgânicos e RAS da NUST MISIS, diz: “Nossa simulação mostra que os átomos de lítio se ligam muito mais fortemente ao grafeno, mas aumentar o número de camadas de lítio leva a menos estabilidade. A tendência oposta é observada em no caso do sódio – à medida que o número de camadas de sódio aumenta, a estabilidade de tais estruturas aumenta, por isso esperamos que esses materiais sejam obtidos no experimento”.

O próximo passo da equipe de pesquisa é criar uma amostra experimental e estudá-la em laboratório. Isso será tratado no Instituto Max Planck de Pesquisa de Estado Sólido, Stuttgart, Alemanha. Se for bem-sucedido, poderá levar a uma nova geração de baterias de Na que serão significativamente mais baratas e equivalentes ou até mais espaçosas que as baterias de íon de lítio.

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