Eletrodos de bateria reforçados com fibra de carbono mais grossos podem habilitar baterias de alta densidade

Em um projeto publicado na edição de junho de 2020 das Nano Letters da American Chemical Society Journal, pesquisadores do Centro de Materiais Compósitos (CCM) da Universidade de Delaware (Newark, Del., EUA) desenvolveram um eletrodo de bateria ultra-grosso reforçado com fibras de carbono alinhadas verticalmente. Chamado de “espessura alinhada com fibra” ou “FAT”, o novo design do eletrodo exibe propriedades aprimoradas e é facilmente escalonável para fabricação.

“Em uma bateria, o eletrodo é feito de um material ativo (o material do eletrodo) e componentes inativos (por exemplo, coletores de corrente metálicos, aglutinantes de polímero e matriz condutora)”, explica o Dr. Kun Fu, professor assistente da Universidade de Delaware e um autor do estudo. Para melhorar a capacidade específica de uma bateria, diz ele, a quantidade de material ativo precisa ser aumentada e os materiais inativos diminuídos.

O eletrodo FAT projetado pelo Centro de Materiais Compósitos da University of Delaware incorpora fibras curtas de carbono unidirecionais (UD) alinhadas na direção do eletrodo, com o material do eletrodo ativo (LiFePO ₄ , ou fosfato de lítio e ferro) incorporado entre as fibras. Os poros entre as fibras de carbono formam canais de baixa tortuosidade através do eletrodo, permitindo o transporte rápido de íons dentro do eletrólito líquido. “O eletrodo FAT usa fibras de carbono alinhadas para construir uma estrutura de eletrodo alinhada com fibra com características de alta carga de material de eletrodo, baixa tortuosidade, alta condutividade elétrica e térmica e boa propriedade de compressão”, diz Fu.

“Nesse caso, um eletrodo mais espesso poderia aumentar significativamente a proporção de material ativo / material inativo, para atingir maior capacidade específica”, acrescenta. A baixa tortuosidade do eletrodo FAT permite rápida infusão de eletrólito e rápido transporte de elétron / íon, exibindo uma maior capacidade de retenção e menor resistência de transferência de carga do que o design convencional de eletrodo espesso fundido em pasta.

Além de propriedades aprimoradas e maior capacidade, os pesquisadores dizem que o método de fabricação é facilmente escalonável e produzido a baixo custo, envolvendo uma tinta de eletrodo aquosa e um reforço de membrana de fibra de carbono cortada e enrolada. Para fabricar o eletrodo, a membrana de fibra de carbono, que é carregada antecipadamente com o material do eletrodo ativo, é enrolada em uma forma cilíndrica e então cortada perpendicularmente à direção axial das fibras. Os pesquisadores usaram este método para fabricar um eletrodo de 18 milímetros de diâmetro e uma altura de 55 milímetros para uso potencial em 18.650 células de bateria cilíndricas.

Em seguida, os pesquisadores planejam aplicar a estrutura de fibra de carbono alinhada ao projeto de ânodos, baterias de estado sólido e Li-S e Li-O ₂ baterias, Fu diz, e os usos potenciais incluem baterias para veículos elétricos, eletrônicos ou armazenamento de energia da rede.

Para acessar o estudo, vá para Nano Cartas publicação digital.