O que é uma bateria de grafeno? [Uma visão geral simples]

A tecnologia da bateria melhorou muito nos dias de hoje. Mas se há uma coisa que as pessoas nunca se cansarão disso é a promessa de vida prolongada da bateria. Não seria ótimo se nossos laptops e smartphones durassem uma semana inteira de uso intensivo com apenas uma carga? Ou o que aconteceria se os carros elétricos pudessem ser totalmente carregados em minutos?

Com baterias de grafeno, tudo é possível.

O grafeno é atualmente o material mais pesquisado para armazenamento de carga. Os resultados de vários laboratórios em todo o mundo confirmam seu potencial para revolucionar a indústria de armazenamento de energia.

Descoberto em 2004, o grafeno pode apresentar muitos novos recursos para dispositivos de armazenamento de energia na próxima década, como baterias completamente enroláveis, capacitores menores, dispositivos de alta capacidade e carregamento rápido e baterias transparentes.

Vamos cavar mais fundo e aprender mais sobre essa tecnologia revolucionária:como ela é diferente das baterias de íon de lítio existentes, quais são suas aplicações e por que é tão importante.

O que exatamente é uma bateria de grafeno?

O grafeno, uma folha de átomos de carbono dispostos em uma estrutura em favo de mel bidimensional, é reconhecido como um "material maravilhoso" devido às suas propriedades únicas. É um excelente condutor de calor e eletricidade, impressionantemente flexível, quase transparente, 100 vezes mais forte que o aço da mesma espessura e extremamente leve.

Átomos no grafeno dispostos em uma estrutura de favo de mel bidimensional

E como o material também é ecologicamente correto e sustentável, ele tem possibilidades ilimitadas em uma ampla gama de aplicações. Uma dessas aplicações promissoras é a bateria de próxima geração.

O grafeno pode ser integrado em diferentes tipos de baterias:metal-ar, redox flow, lítio-metal, lítio-enxofre e, mais importante, baterias de íon-lítio. Ele pode ser quimicamente processado em diferentes versões adequadas para os eletrodos negativos e positivos.

As baterias feitas com grafeno podem alimentar tudo, desde dispositivos portáteis e veículos elétricos. Elas mantêm mais energia e têm ciclos de vida mais longos do que as baterias comerciais existentes (íon-lítio).

O grafeno como bateria também pode ser usado como um supercapacitor, que pode carregar e descarregar com uma rapidez incrível. Na verdade, eles poderiam ajudar a civilização a finalmente se afastar dos nocivos combustíveis fósseis.

Como eles são diferentes das baterias tradicionais?

A tecnologia da bateria de grafeno é semelhante às baterias de íon de lítio:ela tem dois eletrodos sólidos e uma solução eletrolítica para permitir o fluxo de íons. No entanto, algumas baterias de grafeno apresentam eletrólito sólido.

A principal diferença reside nos constituintes de um ou ambos os eletrodos. Em uma bateria convencional, o cátodo (eletrodo positivo) é inteiramente feito de materiais de estado sólido. No entanto, em uma bateria de grafeno, o cátodo é feito de um componente híbrido que contém grafeno e um material metálico de estado sólido.

A quantidade de grafeno usada no eletrodo varia, dependendo da eficiência do material de estado sólido e dos requisitos de desempenho. Além disso, o grafeno, como ânodo, oferece alta capacidade e capacidade de taxa superior.

Desafios atuais

Nos últimos anos, os pesquisadores demonstraram várias baterias à base de grafeno que superam as disponíveis comercialmente. No entanto, a tecnologia ainda não entrou no mercado. Dois obstáculos principais ainda precisam ser superados:

1. A falta de processos eficientes para a produção de grafeno de alta qualidade em grandes quantidades
2. Os custos de produção estão proibitivamente altos no momento.

Produzir um quilo de grafeno custa dezenas de milhares de dólares:o valor varia de acordo com a exigência de qualidade dos materiais. Como o carvão ativado atualmente usado em supercapacitores está disponível a baixo custo (US $ 15 por kg), é muito difícil para outros materiais entrarem no mercado comercial.

12 novos recursos de baterias de grafeno

Em breve, o grafeno poderá estabelecer dispositivos de armazenamento de energia de nova geração com características extraordinárias que não são possíveis com a tecnologia atual.

1. Supercapacitores com filtragem de linha AC

Um capacitor elétrico de camada dupla baseado em folhas de grafeno orientadas verticalmente pode ser carregado / descarregado muito rapidamente (em menos de um milissegundo). Dezenas de materiais foram testados para filtragem de linha AC, incluindo óxido de grafeno, carpete de grafeno-CNT (NanoTube de carbono) e pontos quânticos de grafeno.

Esses supercapacitores ultrarrápidos poderiam substituir os grandes capacitores eletrolíticos usados ​​atualmente na eletrônica, tornando os dispositivos eletrônicos mais leves e menores.

2. Dispositivos flexíveis de armazenamento de energia

As baterias e supercapacitores existentes são rígidos:portanto, dobrá-los pode resultar em vazamento de eletrólito e danos às células. No entanto, o grafeno, com sua estrutura bidimensional de um átomo de espessura, pode ser deformado na direção normal à sua superfície sem causar nenhum dano.

Além dessa flexibilidade mecânica inerente, características elétricas fenomenais e grande área de superfície tornam o grafeno um material promissor para baterias flexíveis.

3. Baterias extensíveis e supercapacitores

Dispositivos extensíveis de armazenamento de energia podem ser construídos aproveitando a elasticidade estrutural de eletrodos de compósito de micro-favo de mel de grafeno-CNT / material ativo e um eletrólito de gel fisicamente reticulado.

Grafeno-CNT / filme de material ativo no substrato extensível | Crédito:ACS Nano

Materiais ativos interconectados via nanotubos de carbono e folhas de grafeno fornecem uma estrutura de rede porosa mecanicamente estável, enquanto a estrutura protuberante para dentro na estrutura em colmeia permite o alongamento estrutural durante a deformação.

4. Baterias de íon de lítio de carregamento rápido

Como o grafeno permite uma transferência mais rápida de íons e elétrons nos eletrodos, as baterias de íons de lítio equipadas com grafeno podem ser carregadas e descarregadas em muito menos tempo.

Por exemplo, uma bateria de íon-lítio carregada com LiFePO em nanoescala ₄ cátodo e Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ os materiais do ânodo em espuma de grafeno flexível podem ser totalmente carregados em apenas 18 segundos. O grafeno puro também pode ser usado no ânodo para aumentar a capacidade e a taxa de carga / descarga ultrarrápida.

5. Baterias para dispositivos vestíveis

Avanços recentes nos eletrodos coaxiais e de revestimento central tornaram possível combinar o material do eletrodo e o coletor de corrente em um único fio, que pode ser tecido ou tricotado diretamente em têxteis.

O grafeno pode ser efetivamente montado em microfibras multifuncionais e tecido em tecidos. Microfibras de grafeno com revestimento central já foram usadas para demonstrar supercapacitores flexíveis e extensíveis (com alta capacitância de área) que podem ser incorporados em têxteis usando métodos de tecelagem tradicionais.

6. Coletores de corrente ultrafinos para dispositivos leves

As baterias existentes usam coletores de corrente de folha metálica (como cobre, alumínio ou níquel) com espessura de 20-80 micrômetros para facilitar o fluxo de elétrons entre os eletrodos e os circuitos externos. Como esses metais não armazenam carga, eles reduzem a densidade geral de energia da bateria. Além disso, eles sofrem com a corrosão, impactando negativamente a resistência interna da célula e a vida útil da bateria.

O grafeno, por outro lado, é uma alternativa melhor para o coletor de corrente. Ele tem alta condutividade elétrica, baixa densidade e pode funcionar de forma estável sob condições operacionais extremas. O grafeno pode ser facilmente transformado em filmes com ondulações e rugas em sua superfície, o que resulta em melhor contato elétrico com os materiais ativos (isso reduz ainda mais a resistência celular).

7. Baterias e supercapacitores transparentes

Devido à sua alta condutividade e transparência decente (até 97,7% de transmitância), o grafeno pode desempenhar um papel significativo em tornar as baterias transparentes mais eficientes. Ele pode ser usado como um material de eletrodo não apenas para desenvolver dispositivos transparentes de armazenamento de energia, mas também para janelas inteligentes, células solares e vários equipamentos optoeletrônicos.

8. Baterias de maior duração

As baterias de íon de lítio atuais usam ânodos de grafite. Sua densidade de energia pode ser aumentada substituindo o grafite pelo grafeno.

Eletrodos de grafeno na forma de papel de grafeno dobrado, filmes de grafeno porosos e estruturas de grafeno solvatadas oferecem três vezes mais capacidade do que os eletrodos de grafite tradicionais, prometendo um alcance maior para veículos elétricos e tempos de execução mais longos para dispositivos portáteis.

A capacidade e a densidade de potência podem ser ainda melhoradas dopando ânodos de grafeno com nitrogênio e boro.

9. Óxido de grafeno como eletrólito sólido e separador

O óxido de grafeno é um bom isolante eletrônico. Ele pode ser usado como eletrólito sólido viável e separador de eletrodo ao mesmo tempo. Alguns estudos mostram que um filme de óxido de grafeno, atuando como um eletrólito sólido, exibe alta capacitância, mas com difusão iônica indetectável semelhante a capacitores dielétricos.

Essas observações podem ajudar os pesquisadores a desenvolver capacitores ultrarrápidos, leves e com alta densidade energética que não sofrem de difusão de íons, que muitas vezes é responsável pelos riscos de vazamento de eletrólitos.

10. Supercapacitores com a densidade de energia das baterias

Supercapacitores feitos com espumas de grafeno [porosas e densas] tendem a ter densidades de energia ultra-alta comparáveis ​​às baterias de chumbo-ácido. Essas espumas de grafeno são feitas cavando pequenos buracos nos planos basais do grafeno e, em seguida, comprimindo-os com equipamento hidráulico avançado.

O principal benefício dos supercapacitores de grafeno sobre os tradicionais é que eles operam com eletrólitos aquosos e podem ser fabricados sem qualquer montagem sofisticada de 'sala seca'.

11. Membranas semipermeáveis ​​de óxido de grafeno

As membranas de óxido de grafeno apresentam várias características únicas de barreira. No estado seco, essas membranas são impermeáveis ​​a tudo, exceto ao vapor de água. Na água, eles se comportam como peneiras moleculares, bloqueando íons grandes e facilitando o transporte de íons menores.

Esses recursos podem levar ao desenvolvimento de membranas seletivas de íons de nova geração para supercapacitores, baterias e células de combustível.

12. Eletrodos sem ligante e sem aditivos

O aglutinante e os aditivos juntos constituem até 40% da massa do eletrodo. É conhecido como 'massa morta' porque não armazena nenhuma carga e, portanto, diminui a densidade de energia geral.

Mas, uma vez que o grafeno pode ser montado em estruturas autônomas 2D e 3D com alta condução de eletricidade, é possível incorporar grafeno diretamente aos eletrodos, sem adicionar quaisquer ligantes e agentes condutores.

Leia:Bateria de estado sólido [Uma visão geral simples]

Estudos recentes

Na última década, os cientistas se concentraram em melhorar o desempenho eletroquímico abrangente e a confiabilidade das baterias existentes. Eles desenvolveram e testaram várias versões de baterias equipadas com compostos de grafeno.

Bateria de íon-lítio baseada em nanocompósitos otimizados de grafeno / silício

Os pesquisadores fabricaram um composto de óxido de grafeno / silício reduzido otimizado usando um método de automontagem com modelo fácil. O grafeno suporta uniformemente as nanopartículas de silício, formando uma rede tridimensional (devido à interação intermolecular aprimorada e ao aumento da área de superfície específica).

A estratégia sintética do composto RGO / Si otimizado | Crédito:Publicações ACS

Ele pode ser usado como uma folha de interfase de eletrólito sólido estável, o que aumenta a condutividade elétrica e a estabilidade estrutural.

Células bolsa à base de grafeno

Uma bateria de lítio-oxigênio de estado quase sólido baseada em grafeno oferece densidades de energia gravimétrica e volumétrica mais altas do que as baterias de polímero de íon de lítio existentes. Ele consiste em um cátodo de grafeno poroso 3D, ânodo de grafeno / Li poroso e eletrólito de polímero em gel modificado por mediador redox.

Ilustração esquemática da bateria de Li-O2 à base de grafeno | Crédito:Natureza

Este estudo abre um novo caminho para o desenvolvimento de baterias de lítio-oxigênio seguras e estáveis ​​com ciclo estável em grande capacidade e sobrepotencial de baixa carga.

Filmes laminados de grafeno para armazenamento capacitivo de energia

Em 2020, uma equipe de pesquisadores projetou um eletrodo autônomo de filme laminado de grafeno com utilização de poros altamente eficiente. É fácil configurar a porosidade ajustando o espaçamento entre camadas do filme. Uma vez que os poros são utilizados de forma otimizada, a capacitância volumétrica é maximizada.

O supercapacitor de grafeno flexível pode armazenar 10x mais energia do que os convencionais | Crédito:University College London

Este tipo de supercondensador pode reter 97,8% de sua capacidade de energia após 5.000 ciclos. Eles também são muito flexíveis:seu desempenho é quase o mesmo quando dobrados em 180 graus e quando estão deitados.

Eletrodo à base de grafeno induzido por laser

Os cientistas fabricaram um micro-supercapacitor flexível por meio de um carimbo de redução fotônica a laser de pulso único. Usando este método, 1.000 laser de formato espacial podem ser produzidos por segundo, e mais de 30.000 micro-supercapacitores podem ser produzidos em 10 minutos.

Mais de 30.000 MSCs são fabricados em uma área de um centímetro quadrado | Crédito:Instituto de Tecnologia de Pequim

Este eletrodo à base de grafeno induzido por laser exibe uma excelente capacitância específica, uma constante de tempo ultracurta, uma densidade de energia ultralta e uma ciclabilidade de longo prazo.

Mercado

A pesquisa com grafeno continuará a se expandir durante a próxima década com a promessa de tornar a vida humana melhor. Em 2019, o mercado global de bateria de grafeno foi avaliado em US $ 49 milhões e está projetado para atingir aproximadamente US $ 399 milhões em 2027, registrando um CAGR (taxa composta de crescimento anual) de mais de 31% durante o período de previsão.

O crescimento do mercado é impulsionado pelo uso de baterias de grafeno em veículos elétricos, dispositivos eletrônicos portáteis e o aumento na adoção de recursos de energia não convencionais. O segmento automotivo deverá ter a maior taxa de crescimento devido à crescente demanda por carros elétricos devido a questões ambientais.

Leia:10 tipos diferentes de baterias | Explicado

Com base na região, projeta-se que a região Ásia-Pacífico seja responsável pela maior parcela da indústria de baterias de grafeno. Os principais países que contribuem para o aumento da demanda são China, Japão e Coréia do Sul. A Europa provavelmente terá a segunda maior fatia do mercado global de baterias de grafeno.