Bateria nanofio - Nanowire battery

Uma bateria de nanofios usa nanofios para aumentar a área de superfície de um ou de ambos os eletrodos . Alguns projetos (silício, germânio e óxidos de metal de transição ), variações da bateria de íon-lítio foram anunciados, embora nenhum esteja disponível comercialmente. Todos os conceitos substituem o ânodo de grafite tradicional e podem melhorar o desempenho da bateria.

Silício

O silício é um material atraente para aplicações como ânodos de bateria de lítio porque oferece propriedades de material vantajosas. Em particular, o silício tem um baixo potencial de descarga e uma alta capacidade de carga teórica dez vezes maior do que os ânodos de grafite típicos atualmente usados ​​na indústria. Os nanofios podem melhorar essas propriedades, aumentando a quantidade de área de superfície disponível em contato com o eletrólito, aumentando assim a densidade de potência do ânodo e permitindo um carregamento mais rápido e maior entrega de corrente. No entanto, o uso de ânodos de silício em baterias tem sido limitado pela expansão do volume durante a litiação . O silício incha 400% ao intercalar o lítio durante o carregamento, resultando na degradação do material. Esta expansão de volume ocorre anisotropicamente, causada pela propagação de fissuras imediatamente após uma frente de litiação em movimento. Essas rachaduras resultam em pulverização e perda substancial de capacidade perceptível nos primeiros ciclos.

O extenso Artigo de Revisão de 2007 de Kasavajjula et al. resume as primeiras pesquisas sobre ânodos à base de silício para células secundárias de íon-lítio. Em particular, Hong Li et al mostraram em 2000 que a inserção eletroquímica de íons de lítio em nanopartículas de silício e nanofios de silício leva à formação de uma liga de Li-Si amorfa. No mesmo ano, Bo Gao e seu orientador de doutorado, Professor Otto Zhou, descreveram a ciclagem de células eletroquímicas com ânodos compostos por nanofios de silício, com capacidade reversível variando de pelo menos aproximadamente 900 a 1500 mAh / g.

Pesquisa feita na Universidade de Stanford indica que nanofios de silício (SiNWs) crescidos diretamente no coletor de corrente (por meio de métodos de crescimento VLS ) são capazes de contornar os efeitos negativos associados à expansão de volume. Essa geometria se presta a várias vantagens. Primeiro, o diâmetro do nanofio permite acomodação melhorada das mudanças de volume durante a litiação sem fratura. Em segundo lugar, cada nanofio é conectado ao coletor de corrente de forma que cada um possa contribuir para a capacidade geral. Terceiro, os nanofios são caminhos diretos para o transporte de carga; em eletrodos baseados em partículas, as cargas são forçadas a navegar nas áreas de contato entre as partículas (um processo menos eficiente). Os nanofios de silício têm uma capacidade teórica de cerca de 4.200 mAh g ^ -1, que é maior do que a capacidade de outras formas de silício. Este valor indica uma melhoria significativa em relação ao grafite, que tem uma capacidade teórica de 372 mAh g ^ -1 em seu estado totalmente litiado de LiC 6 .

Pesquisas adicionais envolveram o depósito de revestimentos de carbono em nanofios de silício, o que ajuda a estabilizar o material de forma que se forme uma interface de eletrólito sólido (SEI) estável. Um SEI é um subproduto inevitável da eletroquímica que ocorre na bateria; sua formação contribui para a diminuição da capacidade da bateria por se tratar de uma fase eletricamente isolante (apesar de ser ionicamente condutora). Ele também pode se dissolver e se reformar ao longo de vários ciclos de bateria. Portanto, um SEI estável é preferível para evitar a perda contínua de capacidade à medida que a bateria é usada. Quando o carbono é revestido em nanofios de silício, a retenção da capacidade foi observada em 89% da capacidade inicial após 200 ciclos. Essa retenção de capacidade está no mesmo nível dos ânodos grafíticos de hoje.

Um projeto usa um ânodo de aço inoxidável coberto por nanofios de silício. O silício armazena dez vezes mais lítio do que o grafite, oferecendo maior densidade de energia . A grande área de superfície aumenta a densidade de potência do ânodo , permitindo assim um carregamento rápido e alta distribuição de corrente. O ânodo foi inventado na Universidade de Stanford em 2007.

Em setembro de 2010, os pesquisadores demonstraram 250 ciclos de carga mantendo acima de 80 por cento da capacidade inicial de armazenamento. No entanto, alguns estudos apontaram que os ânodos de nanofios de Si exibem um desbotamento significativo na capacidade de energia com mais ciclos de carga; isso é causado pela expansão volumétrica de nanofios de silício durante o processo de litiação . Os pesquisadores propuseram muitas soluções para remediar este problema: resultados publicados em 2012 mostraram que dopar impurezas no ânodo nanofio melhora o desempenho da bateria, e foi descoberto que nanofios de Si dopados com fósforo alcançaram melhor desempenho quando comparados com boro e eletrodos de nanofio não dopados ; investigadores também demonstraram a possibilidade de manutenção de um 85% da capacidade inicial depois de ciclismo mais de 6000 vezes, colocando um ânodo de silício nominalmente não dopado em um duplicado de paredes silício nanotubo com óxido de silício ião-permeando a camada de revestimento.

A célula de bateria baseada em nanofios de silício também oferece oportunidade para fonte de energia flexível dimensional, o que também levaria ao desenvolvimento de dispositivo tecnológico vestível. Cientista da Rice University mostrou essa possibilidade depositando nanoconchas de cobre poroso ao redor do nanofio de silício dentro de uma matriz de polímero. Esta bateria de nanofio de silício de polímero de lítio (LIOPSIL) tem uma voltagem operacional de célula cheia suficiente de 3,4 V e é mecanicamente flexível e escalonável.

A comercialização era originalmente esperada para ocorrer em 2012, mas foi posteriormente adiada para 2014. Uma empresa relacionada, a Amprius, enviou um dispositivo relacionado com silício e outros materiais em 2013. A Canonical anunciou em 22 de julho de 2013 que seu smartphone Ubuntu Edge conteria um bateria de íon-lítio de ânodo de silício.

Germânio

Um ânodo usando nanofio de germânio foi declarado como tendo a capacidade de aumentar a densidade de energia e a durabilidade do ciclo das baterias de íon-lítio. Como o silício, o germânio tem uma alta capacidade teórica (1600 mAh g-1), se expande durante o carregamento e se desintegra após um pequeno número de ciclos. No entanto, o germânio é 400 vezes mais eficaz na intercalação de lítio do que o silício, tornando-o um material de ânodo atraente. Os ânodos afirmavam reter capacidades de 900 mAh / g após 1100 ciclos, mesmo com taxas de descarga de 20–100 ° C. Esse desempenho foi atribuído a uma reestruturação dos nanofios que ocorre nos primeiros 100 ciclos para formar uma rede mecanicamente robusta e continuamente porosa. Uma vez formado, o ânodo reestruturado perde apenas 0,01% da capacidade por ciclo depois disso. O material forma uma estrutura estável após esses ciclos iniciais que é capaz de resistir à pulverização. Em 2014, os pesquisadores desenvolveram uma maneira simples de produzir nanofios de germânio a partir de uma solução aquosa .

Óxidos de metal de transição

Óxidos de metal de transição (TMO), como Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , Co 3 O 4 e PbO 2 , têm muitas vantagens como materiais de ânodo sobre materiais de células convencionais para bateria de íon-lítio (LIB) e outros sistemas de bateria. Alguns deles possuem alta capacidade teórica de energia e são naturalmente abundantes, não tóxicos e também amigos do ambiente. Conforme o conceito do eletrodo de bateria nanoestruturado foi introduzido, os experimentalistas começaram a olhar para a possibilidade de nanofios baseados em TMO como materiais de eletrodo. Algumas investigações recentes sobre este conceito são discutidas na subseção a seguir.

Ânodo de óxido de chumbo

A bateria de chumbo-ácido é o tipo mais antigo de célula de bateria recarregável. Embora a matéria-prima (PbO 2 ) para a produção de células seja razoavelmente acessível e barata, as células de bateria de chumbo-ácido têm energia específica relativamente pequena. O efeito de espessamento da pasta (efeito de expansão volumétrica) durante o ciclo de operação também bloqueia o fluxo efetivo do eletrólito. Esses problemas limitaram o potencial da célula para realizar algumas tarefas que consomem muita energia.

Em 2014, o experimentalista obteve com sucesso nanofio de PbO 2 por meio de eletrodeposição de modelo simples . O desempenho deste nanofio como ânodo para bateria de chumbo-ácido também foi avaliado. Devido ao grande aumento da área de superfície, esta célula foi capaz de fornecer uma capacidade quase constante de cerca de 190 mAh g -1, mesmo após 1.000 ciclos. Este resultado mostrou que este PbO 2 nanoestruturado como um substituto bastante promissor para o ânodo de chumbo-ácido normal.

Óxido de manganês

O MnO 2 sempre foi um bom candidato para materiais de eletrodo devido à sua alta capacidade de energia, não toxicidade e custo-benefício. No entanto, a inserção de íons de lítio na matriz de cristal durante o ciclo de carga / descarga causaria uma expansão volumétrica significativa. Para neutralizar esse efeito durante o ciclo de operação, os cientistas propuseram recentemente a ideia de produzir um nanofio MnO 2 enriquecido com Li com uma estequiometria nominal de Li 2 MnO 3 como materiais anódicos para LIB . Os novos materiais de ânodo propostos permitem que a célula da bateria alcance uma capacidade de energia de 1279 mAh g -1 na densidade de corrente de 500 mA, mesmo após 500 ciclos. Este desempenho é muito mais elevada do que a de puro MnO 2 ânodo ou MnO 2 células nanofio ânodo.

Heteroestrutura TMOs

A heterojunção de diferentes óxidos de metal de transição poderia às vezes fornecer o potencial de um desempenho mais completo dos LIBs.

Em 2013, os pesquisadores sintetizaram com sucesso uma heteroestrutura de nanofios de Co 3 O 4 / Fe 2 O 3 ramificada usando o método hidrotérmico . Esta heterojunção pode ser usada como um ânodo alternativo para a célula LIB. Em operação, o Co 3 O 4 promove um transporte iônico mais eficiente, enquanto o Fe 2 O 3 aumenta a capacidade teórica da célula, aumentando a área de superfície. Uma alta capacidade reversível de 980 mAh g -1 foi relatada.

A possibilidade de anodo de arranjos de nanofios ZnCo 2 O 4 / NiO heterogêneos também foi explorada em alguns estudos. Porém, a eficiência desse material como ânodo ainda não foi avaliada.

Ouro

Em 2016, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Irvine anunciaram a invenção de um material nanofio capaz de mais de 200.000 ciclos de carga sem qualquer quebra dos nanofios. A tecnologia pode resultar em baterias que nunca precisam ser substituídas na maioria das aplicações. Os nanofios de ouro são reforçados por um invólucro de dióxido de manganês envolto em um eletrólito de gel semelhante ao Plexiglass . A combinação é confiável e resistente a falhas. Depois de fazer um ciclo de um eletrodo de teste cerca de 200.000 vezes, nenhuma perda de capacidade ou energia, nem fratura de nenhum nanofio ocorreu.

Veja também

Referências

links externos