Baterias de Grafeno Explicadas: O Futuro da Energia de Longa Duração

A tecnologia de baterias melhorou muito nos dias de hoje. Mas se há uma coisa que as pessoas nunca conseguirão o suficiente, é a promessa de vida útil prolongada da bateria. Não seria ótimo se nossos laptops e smartphones durassem uma semana inteira de uso intenso com uma única carga? E se carros elétricos pudessem ser totalmente carregados em minutos?

Com baterias de grafeno, tudo isso é possível.

O grafeno é atualmente o material mais pesquisado para armazenamento de carga. Resultados de vários laboratórios ao redor do 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 totalmente enroláveis, capacitores menores, dispositivos de alta capacidade e carregamento rápido, e baterias transparentes.

Vamos nos aprofundar e aprender mais sobre essa tecnologia revolucionária: como ela difere das baterias de íon-lítio existentes, quais são suas aplicações e por que é um grande negócio.

O Que Exatamente É Uma Bateria de Grafeno?

O grafeno, uma folha de átomos de carbono arranjados em uma rede bidimensional em forma de favo de mel, 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 arranjados em uma rede bidimensional em favo de mel

E, como o material também é ecológico e sustentável, 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, fluxo redox, lítio-metal, lítio-enxofre e, mais importante, baterias de íon-lítio. Pode ser quimicamente processado em diferentes versões adequadas para eletrodos negativos e positivos.

Baterias feitas com grafeno podem alimentar desde dispositivos portáteis até veículos elétricos. Elas armazenam mais energia e têm ciclos de vida mais longos que as baterias comerciais existentes (de íon-lítio).

O grafeno como bateria também pode ser usado como supercapacitor, que pode carregar e descarregar incrivelmente rápido. Na verdade, eles poderiam ajudar a civilização a finalmente se afastar dos combustíveis fósseis prejudiciais.

Como diferem das baterias tradicionais?

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

A principal diferença está nos constituintes de um ou ambos os eletrodos. Em uma bateria convencional, o cátodo (eletrodo positivo) é feito inteiramente 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 e dos requisitos de desempenho do material de estado sólido. Além disso, o grafeno como ânodo fornece alta capacidade e capacidade de taxa superior.

Desafios Atuais

Nos últimos anos, pesquisadores demonstraram várias baterias baseadas em grafeno que superam as comercialmente disponíveis. No entanto, a tecnologia ainda não chegou ao mercado. Dois grandes obstáculos ainda precisam ser superados:

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

Produzir um quilograma de grafeno custa dezenas de milhares de dólares: o valor varia de acordo com a exigência de qualidade dos materiais. Como o carbono 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 das Baterias de Grafeno

Em breve, o grafeno poderia 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 CA

Um capacitor de camada dupla elétrica 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 CA, incluindo óxido de grafeno, carpete de grafeno-CNT (Nanotubo de Carbono) e pontos quânticos de grafeno.

Tais supercapacitores ultrarrápidos poderiam substituir os grandes capacitores eletrolíticos atualmente usados em eletrônicos, tornando os dispositivos eletrônicos mais leves e menores.

2. Dispositivos de armazenamento de energia flexíveis

Baterias e supercapacitores existentes são rígidos: dobrá-los pode resultar em vazamento de eletrolito e danos à célula. No entanto, o grafeno, com sua estrutura bidimensional de um átomo de espessura, pode ser deformado na direção normal à sua superfície sem causar danos.

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

3. Baterias e supercapacitores elásticos

Dispositivos de armazenamento de energia elásticos podem ser construídos aproveitando a elasticidade estrutural de eletrodos compósitos de grafeno-CNT/material ativo em micro-favo de mel e um eletrolito em gel fisicamente reticulado.

Filme de grafeno-CNT/material ativo em substrato elástico | Crédito: ACS Nano

Materiais ativos interconectados por nanotubos de carbono entrelaçados e folhas de grafeno fornecem uma estrutura de rede porosa mecanicamente estável, enquanto a estrutura saliente para dentro no favo de mel permite alongamento estrutural durante a deformação.

4. Baterias de íon-lítio de carregamento rápido

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

Por exemplo, uma bateria de íon-lítio carregada com cátodo LiFePO₄ em nanoescala e materiais de ânodo Li₄Ti₅O₁₂ em espuma de grafeno flexível pode ser totalmente carregada em apenas 18 segundos. 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 em eletrodos coaxiais e núcleo-casca tornaram viável combinar material de eletrodo e 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 núcleo-casca já foram usadas para demonstrar supercapacitores flexíveis e elásticos (com alta capacitância areal) que podem ser incorporados em têxteis usando métodos de tecelagem tradicionais.

6. Coletores de corrente ultrfinos para dispositivos leves

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 eletrodos e circuitos externos. Como esses metais não armazenam carga, eles reduzem a densidade de energia geral da bateria. Além disso, sofrem corrosão, impactando negativamente a resistência interna da célula e a vida útil da bateria.

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

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 na tornar baterias transparentes mais eficientes. Pode ser usado como material de eletrodo não apenas para desenvolver dispositivos de armazenamento de energia transparentes, mas também para janelas inteligentes, células solares e vários equipamentos optoeletrônicos.

8. Baterias mais duradouras

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

Eletrodos de grafeno na forma de papel de grafeno dobrado, filmes de grafeno porosos e estruturas de grafeno solvatado oferecem três vezes mais capacidade que eletrodos de grafite tradicionais, prometendo maior autonomia para veículos elétricos e maior tempo de execução 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 eletrolito sólido e separador

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

Essas observações podem ajudar pesquisadores a desenvolver capacitores ultrarrápidos, leves e densos em energia que não sofrem de difusão iônica, frequentemente responsável por riscos de vazamento de eletrolito.

10. Supercapacitores com densidade de energia de baterias

Supercapacitores feitos com [espumas de grafeno porosas e densas] tendem a ter densidades de energia ultra-altas comparáveis a baterias de chumbo-ácido. Essas espumas de grafeno são feitas cavando minúsculos orifícios nos planos basais do grafeno e depois comprimindo-os com equipamento hidráulico avançado.

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

11. Membranas de óxido de grafeno semipermeáveis

Membranas de óxido de grafeno mostram várias características únicas de barreira. No estado seco, essas membranas são impermeáveis a tudo, exceto vapor de água. Na água, comportam-se como peneiras moleculares, bloqueando íons grandes enquanto facilitam o transporte de 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 aglutinante e aditivos

Aglomerantes e aditivos juntos compõem 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, como o grafeno pode ser montado em estruturas 2D e 3D auto-sustentadas com alta condutividade elétrica, é possível incorporar grafeno diretamente nos eletrodos, sem adicionar aglutinantes e agentes condutores.

Leia também: Bateria de Estado Sólido [Uma Visão Geral Simples]

Estudos Recentes

Na última década, cientistas focaram em melhorar o desempenho eletroquímico abrangente e a confiabilidade das baterias existentes. Desenvolveram e testaram muitas versões diferentes de baterias equipadas com compósitos de grafeno.

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

Pesquisadores fabricaram um compósito otimizado de óxido de grafeno reduzido/silício usando um método de auto-montagem templado facilitado. O grafeno suporta uniformemente nanopartículas de silício, formando uma rede tridimensional (devido à interação intermolecular aprimorada e aumento da área de superfície específica).

A estratégia sintética do compósito RGO/Si otimizado | Crédito: ACS Publications

Pode ser usado como uma folha estável de interfase eletrolítica sólida, que aumenta tanto a condutividade elétrica quanto a estabilidade estrutural.

Células pouch baseadas em grafeno

Uma bateria quasi-estado-sólido de lítio-oxigênio baseada em grafeno fornece densidades de energia gravimétrica e volumétrica superiores às baterias de polímero de lítio-íon existentes. Consiste em um cátodo de grafeno 3D poroso, ânodo poroso de grafeno/Li e eletrolito de polímero em gel modificado por mediador redox.

Ilustração esquemática de bateria Li-O2 baseada em grafeno | Crédito: Nature

Este estudo abre uma nova via para desenvolver baterias de lítio-oxigênio seguras e estáveis com ciclagem estável em grande capacidade e baixo sobrepotencial de carga.

Filmes laminados de grafeno para armazenamento de energia capacitivo

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

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

Este tipo de supercapacitores retém 97,8% de sua capacidade de energia após 5.000 ciclos. Também são muito flexíveis: funcionam quase da mesma forma quando dobrados 180 graus do que quando estão planos.

Eletrodo baseado em grafeno induzido a laser

Cientistas fabricaram um micro-supercapacitor flexível através de uma única redução fotônica a laser por estampagem. Usando este método, 1.000 lasers espacialmente moldados 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: Beijing Institute of Technology

Este eletrodo de grafeno induzido a laser exibe capacitância específica excepcional, constante de tempo ultra-curta, densidade de energia ultra-alta e ciclagem de longo prazo.

Mercado

A pesquisa em grafeno continuará a se expandir durante a próxima década com a promessa de tornar a vida humana melhor. Em 2019, o mercado global de baterias de grafeno foi avaliado em US$ 49 milhões, e projeta-se que atinja aproximadamente US$ 399 milhões até 2027, registrando um CAGR (taxa de crescimento anual composta) superior a 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 energéticos não convencionais. O segmento automotivo deve ter a maior taxa de crescimento devido à crescente demanda por carros elétricos por preocupações ambientais.

Leia também: 10 Diferentes Tipos de Baterias | Explicados

Com base na região, a região Ásia-Pacífico deve representar a maior participação na indústria de baterias de grafeno. Os principais países que contribuem para o aumento da demanda são China, Japão e Coreia do Sul. A Europa provavelmente terá a 2ª maior participação no mercado global de baterias de grafeno.