Um gel ajuda o silício a armazenar mais energia
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul (POSTECH), desenvolveram um sistema de bateria de silício e gel que, segundo a universidade, oferece densidade energética aproximadamente 40% maior e mantém um desempenho estável. Anunciada em 2 de fevereiro de 2024, a pesquisa usa partículas de silício de 5 micrômetros e um feixe de elétrons para ajudar a bateria a suportar a expansão e a contração repetidas do material.
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O trabalho busca aproximar os veículos elétricos da meta de percorrer 1.000 quilômetros com uma única carga. A POSTECH apresenta essa distância como um objetivo de pesquisa. O anúncio descreve os resultados de um sistema de bateria; uma demonstração em veículo, uma data de lançamento comercial e um preço ainda não foram especificados.
O professor Soojin Park, o doutorando Minjun Je e a Dra. Hye Bin Son, do Departamento de Química da POSTECH, desenvolveram a abordagem. O estudo foi publicado on-line na revista Advanced Science em 17 de janeiro de 2024, antes da universidade divulgar seu anúncio da pesquisa.
A ideia central é facilitar o uso de um material com grande capacidade de armazenamento. O silício pode armazenar muito mais lítio do que o grafite comumente usado nos ânodos de baterias, mas seu tamanho muda drasticamente durante o carregamento. A equipe da POSTECH uniu partículas de silício a um gel elástico por meio de ligações químicas, ajudando a estrutura a lidar com esse movimento.
Para os motoristas, a vantagem é direta: armazenar mais energia em uma bateria pode permitir viagens mais longas entre paradas para recarga. Para os fabricantes de baterias, a pesquisa aborda outra questão: como usar partículas de silício relativamente baratas sem comprometer a estabilidade de funcionamento.
Por que é difícil usar silício
A vantagem do silício no armazenamento vem acompanhada de um problema mecânico. Segundo a POSTECH, o material se expande para mais de três vezes seu tamanho original durante o carregamento e depois se contrai quando a bateria descarrega. A repetição desse movimento exerce pressão sobre o eletrodo e os materiais ao seu redor.
O ânodo é um dos dois eletrodos de uma bateria. Durante o carregamento, os íons de lítio atravessam o eletrólito e entram no ânodo, onde a energia é armazenada. Durante o uso, o processo se inverte. O eletrólito precisa permitir o deslocamento desses íons enquanto a estrutura do eletrodo continua funcionando ao longo de ciclos repetidos de carga.
Pesquisadores costumam usar partículas de silício extremamente pequenas para ajudar a lidar com a tensão. A POSTECH descreve a produção de silício em escala nanométrica como complexa e cara. Partículas maiores, em escala micrométrica, oferecem vantagens em custo de produção e densidade energética, mas é mais difícil acomodar sua expansão.
As partículas usadas no experimento da POSTECH mediam 5 micrômetros, ou cinco milionésimos de metro. Segundo a universidade, elas eram cerca de 100 vezes maiores do que as usadas em ânodos tradicionais de silício em escala nanométrica. Essa é a comparação específica entre partículas apresentada no anúncio oficial, e não o fator de 1.000 mencionado na descrição inicial da pesquisa. Um micrômetro, por sua vez, equivale a 1.000 vezes o comprimento de um nanômetro.
Como funcionam o gel e o feixe de elétrons
A equipe da POSTECH combinou as partículas maiores de silício com um eletrólito de polímero em gel. Polímero é um material formado por longas cadeias moleculares. Nesta bateria, sua estrutura elástica ajuda o eletrólito a acomodar as mudanças no tamanho do silício e, ao mesmo tempo, permite o deslocamento dos íons de lítio.
Em seguida, os pesquisadores usaram um feixe de elétrons para criar ligações covalentes entre as partículas de silício e o gel. Ligações covalentes são conexões químicas nas quais os átomos compartilham elétrons. Neste caso, essas conexões ajudam a distribuir a tensão interna produzida pela expansão e contração do silício.
A abordagem trata o silício e o eletrólito ao seu redor como uma estrutura integrada. Em vez de depender apenas de partículas menores, os pesquisadores mudaram a forma como as partículas se conectam ao material ao redor. A POSTECH atribui a estabilidade estrutural resultante a essas conexões e à capacidade do gel de acomodar o movimento.
Park, professor de química da POSTECH que lidera a equipe, descreveu o resultado como um avanço para viabilizar o uso prático da capacidade de armazenamento do silício:
Usamos um ânodo de microssilício e, ainda assim, temos uma bateria estável. Esta pesquisa nos aproxima de um sistema de bateria de íons de lítio com alta densidade energética que possa ser usado na prática.
A universidade também informa que o sistema de gel apresentou condutividade iônica semelhante à de baterias convencionais com eletrólitos líquidos. A condutividade iônica indica a facilidade com que partículas carregadas se deslocam por um material. Manter esse movimento eficiente é importante porque o eletrólito precisa permitir o fluxo de íons durante o carregamento e o fornecimento de energia pela bateria.
O que significa o ganho de 40% para a autonomia
A POSTECH relata uma melhora de aproximadamente 40% na densidade energética de seu sistema de silício e eletrólito em gel. Densidade energética é a quantidade de energia que uma bateria armazena em relação à sua massa ou volume. Aumentá-la é uma forma de transportar mais energia sem tornar a bateria proporcionalmente mais pesada ou maior.
O anúncio da universidade usa cerca de 700 quilômetros como referência para a autonomia de veículos elétricos e 1.000 quilômetros como a distância que os pesquisadores buscam alcançar. Passar de 700 para 1.000 quilômetros acrescentaria 300 quilômetros, um aumento de cerca de 43%.
Esses números ajudam a entender o apelo de um ganho de 40% na densidade energética. Como exemplo simples, aumentar 700 quilômetros em 40% resulta em 980 quilômetros, perto da meta anunciada. Esse cálculo pressupõe que o veículo consuma energia no mesmo ritmo e que a energia utilizável da bateria aumente na mesma proporção.
A autonomia real de um veículo também depende de seu peso, eficiência, velocidade, temperatura e projeto do conjunto de baterias. O desafio prático é levar a vantagem de armazenamento do material para uma bateria completa e, depois, para um veículo. A combinação relatada pela POSTECH de funcionamento estável, partículas maiores de silício e condutividade iônica comparável aborda, em conjunto, vários aspectos desse desafio.
Outro estudo aborda a camada protetora do silício
Outra equipe de pesquisa, entre cujos autores estão Ai-Min Li e Chunsheng Wang, publicou um estudo na Nature Communications em 8 de fevereiro de 2024. O estudo também usou partículas de silício de 5 micrômetros, mas buscou uma solução diferente: um eletrólito líquido projetado para formar uma camada superficial protetora capaz de tolerar o movimento do silício.
O artigo explica que uma das principais causas da perda de capacidade é o dano à interface eletrolítica sólida, geralmente chamada de SEI, pela sigla em inglês. Trata-se de uma fina camada protetora que se forma no ânodo. Quando ela racha, o eletrólito líquido pode penetrar nas partículas de silício danificadas e reagir novamente, formando novas camadas e prejudicando o contato elétrico.
Li e seus colegas desenvolveram um eletrólito com carbonato de fluoroetileno, sulfolano e TTE, um éter fluorado. A formulação permite que as células operem a 4,3 volts e cria uma camada protetora rica em fluoreto de lítio e óxido de lítio.
Os autores descrevem essa camada como repelente ao silício, ou seja, ela se liga fracamente ao material de lítio e silício abaixo dela. Essa ligação fraca permite que o silício se expanda e se contraia dentro da camada protetora com menos tensão sobre ela. A abordagem da POSTECH, por sua vez, usa ligações químicas fortes entre o silício e um gel elástico para distribuir a tensão.
Assim, os dois estudos abordam o mesmo problema de movimento em interfaces diferentes. Um conecta o silício a uma estrutura flexível ao seu redor; o outro permite que o silício se mova dentro de uma camada protetora à qual se liga com menos força.
O que os testes da segunda equipe mediram
O estudo da Nature Communications informa que seus ânodos de silício forneceram capacidade de 2.175 miliampères-hora por grama por mais de 250 ciclos, com eficiência coulômbica de 99,8%. A capacidade por grama indica quanta carga elétrica uma determinada massa de material pode armazenar. Um ciclo corresponde a uma etapa de carga e descarga.
A eficiência coulômbica compara a carga retirada durante a descarga com a carga fornecida durante o carregamento. Em 99,8%, a diferença é de cerca de 0,2% por ciclo medido. Manter essa diferença pequena é importante porque reações indesejadas repetidas consomem carga e materiais com o tempo.
A equipe também testou uma célula tipo pouch com capacidade nominal de 100 miliampères-hora. Ela forneceu 172 miliampères-hora por grama de material catódico ao longo de 120 ciclos, com eficiência coulômbica superior a 99,9%. Uma célula tipo pouch contém os componentes da bateria em um invólucro flexível.
Essas medições descrevem a capacidade dos eletrodos, a eficiência e o desempenho ao longo de ciclos do projeto com eletrólito líquido. O principal resultado da POSTECH é uma melhora de aproximadamente 40% na densidade energética de seu sistema de gel. Cada estudo contribui com um conjunto diferente de medições para tornar úteis as partículas maiores de silício em baterias de íons de lítio.
Da publicação à produção
A POSTECH descreve seu processo de fabricação como simples e pronto para aplicação. O uso de partículas maiores de silício aborda o custo e a complexidade associados à produção de partículas em escala nanométrica, enquanto o feixe de elétrons cria as ligações necessárias para a estrutura integrada.
O anúncio da universidade informa que a pesquisa recebeu apoio do Programa de Pesquisadores Independentes da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia. A sequência das publicações situa o resultado ao lado de outro esforço para resolver o problema da expansão do silício no mesmo período:
- 17 de janeiro de 2024: o estudo da equipe da POSTECH foi publicado on-line na Advanced Science.
- 2 de fevereiro de 2024: a POSTECH anunciou os resultados de seu sistema de silício e eletrólito em gel e a meta de alcançar 1.000 quilômetros de autonomia veicular.
- 8 de fevereiro de 2024: a Nature Communications publicou o estudo separado sobre um eletrólito líquido para partículas de silício de 5 micrômetros.
A vantagem prática que perpassa os dois projetos é a mesma: o silício é abundante e oferece alta capacidade de armazenamento, enquanto partículas maiores podem reduzir as dificuldades de produção. Fazer com que os materiais ao redor tolerem o movimento do silício é essencial para transformar essas vantagens em baterias que mantenham uma capacidade útil após repetidos usos.
Principais pontos
- A POSTECH relata uma densidade energética aproximadamente 40% maior em um sistema integrado de bateria de silício e eletrólito em gel.
- Os pesquisadores usaram um feixe de elétrons para formar ligações químicas que ajudam a distribuir a tensão durante a expansão e a contração do silício.
- O sistema estável usou partículas de 5 micrômetros, descritas pela POSTECH como 100 vezes maiores do que as nanopartículas tradicionais de silício.
- Uma autonomia veicular de 1.000 quilômetros é a meta da pesquisa; o anúncio se concentra no desenvolvimento da bateria.
- Um estudo separado na Nature Communications usou um eletrólito líquido e uma camada superficial protetora e relatou o desempenho de ânodos de silício por mais de 250 ciclos.
