Eletrodos de bateria ultrafinos reforçados com fibra de carbono prometem maior densidade de energia

Em um projeto publicado na edição de junho de 2020 do jornal Nano Letters da American Chemical Society, pesquisadores do Center for Composite Materials (CCM) da Universidade de Delaware (Newark, Delaware, EUA) desenvolveram um eletrodo de bateria ultrafino reforçado com fibras de carbono alinhadas verticalmente. Chamado de "fiber-aligned thick" ou "FAT", o novo design de eletrodo diz exibir propriedades aprimoradas e é facilmente escalável para fabricação.

"Em uma bateria, o eletrodo é composto por um material ativo (o material do eletrodo) e componentes inativos (ex: coletores de corrente metálicos, ligantes poliméricos e matriz condutora)", explica o Dr. Kun Fu, professor assistente na Universidade de Delaware e autor do estudo. Para melhorar a capacidade específica de uma bateria, ele diz, a quantidade de material ativo precisa ser aumentada e os materiais inativos diminuídos.

Estrutura do eletrodo FAT

O eletrodo FAT projetado pelo Center for Composite Materials da Universidade de Delaware incorpora fibras de carbono curtas unidirecionais (UD) alinhadas na direção do eletrodo, com o material ativo do eletrodo (LiFePO₄, ou fosfato de ferro-lítio) incorporado entre as fibras. Os poros entre as fibras de carbono formam canais de baixa tortuosidade através do eletrodo, permitindo transporte rápido de íons dentro do eletrólito líquido. "O eletrodo FAT usa fibras de carbono alinhadas para construir uma estrutura de eletrodo alinhada através da espessura com características de alta carga de material do eletrodo, baixa tortuosidade, alta condutividade elétrica e térmica, e boa propriedade de compressão", diz Fu.

"Neste caso, um eletrodo mais espesso poderia aumentar significativamente a proporção de material ativo/inativo, para alcançar maior capacidade específica", ele adiciona. A baixa tortuosidade do eletrodo FAT permite infusão rápida de eletrólito e transporte rápido de elétrons/íons, exibindo maior retenção de capacidade e menor resistência de transferência de carga do que design de eletrodo espesso convencional fundido em slurry.

Fabricação escalável e baixo custo

Além de propriedades aprimoradas e maior capacidade, os pesquisadores dizem que o método de fabricação é facilmente escalável 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 ativo do eletrodo, é enrolada em forma cilíndrica e então cortada perpendicular à direção axial das fibras. Os pesquisadores usaram este método para fabricar um eletrodo de 18 milímetros de diâmetro e altura de 55 milímetros para uso potencial em células de bateria cilíndricas 18650.

Em seguida, os pesquisadores planejam aplicar a estrutura de fibra de carbono alinhada ao design de ânodo, baterias de estado sólido, e baterias Li-S e Li-O₂, diz Fu, e usos potenciais incluem baterias para veículos elétricos, eletrônicos ou armazenamento de energia em rede.

Para acessar o estudo, vá à publicação digital do Nano Letters.