Melhorar o desempenho da bateria de íons de lítio usando a impressão 3D

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Melhorar o desempenho da bateria de íons de lítio usando a
impressão 3D
Aumentar a massa de um eletrodo reduz a densidade de potência devido à distância maior que os íons e
elétrons devem percorrer. Os projetos de eletrodos precisam ser repensados.
Desde a sua invenção na década de 1970, as baterias de íons de lítio (LIBs) tornaram-se uma pedra
angular da sociedade moderna, alimentando tudo, desde eletrônicos portáteis pessoais a satélites
espaciais. Esta tecnologia causou tal impacto na formação do mundo que seus inventores, John B. -
Bom, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino receberam o Prêmio Nobel de Química em 2019.
Ainda há pesquisas significativas em andamento para melhorar o desempenho do LIB, pois eles não são
apenas essenciais para atender aos requisitos dos dispositivos do futuro – aqueles que são menores e
mais baratos, com vidas de bateria substancialmente mais longas e capacidades de carregamento mais
rápidas – eles também são críticos para realizar uma sociedade mais sustentável e mais verde.
As tecnologias emergentes que dependem de baterias, como veículos elétricos e armazenamento de
energia em escala de rede para fontes de energia renováveis, têm o potencial de reduzir a dependência
da sociedade de combustíveis fósseis e combater as mudanças climáticas. No entanto, todas essas
aplicações exigem baterias com densidades de energia mais altas e / ou taxas de carga e descarga mais
rápidas do que as disponíveis atualmente.
As densidades de energia e energia dos LIBs convencionais que usam eletrodos planares são
frequentemente acopladas. Isso significa que, para uma determinada área de pegada, aumentar a
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massa de um eletrodo aumentará a densidade de energia, mas o aumento da espessura do eletrodo
resultante reduzirá a densidade de potência devido à maior distância que os íons e elétrons devem
viajar.
Se essa relação pudesse ser dissociada, então as densidades de energia e potência dos eletrodos LIB
poderiam ser melhoradas simultaneamente. A arquitetura 3D de um material de eletrodo permite que os
eletrodos grossos sejam compostos por componentes micro e nanométricos, aumentando efetivamente
a carga de massa do eletrodo sem os problemas associados a comprimentos de transporte mais longos.
A manufatura aditiva é uma rota promissora para a fabricação desses tipos de eletrodos arquitetados em
3D e tem sido amplamente explorada nos últimos anos. No entanto, quase todas as demonstrações
desse processo até agora giraram em torno da extrusão de tintas de nanopartículas, que são limitadas
em termos das resoluções e geometrias que podem ser alcançadas. Técnicas de fotopolimerização de
vato oferecem melhores resoluções e são capazes de acessar geometrias mais complexas, mas têm
lutado para fabricar materiais de eletrodos não-poliméricos.
Em dois artigos recentemente apresentados nas capas de Advanced Energy Materials e Advanced
Materials Technologies, uma equipe de pesquisadores liderada pela professora Julia R. Greer, do
Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), desenvolveu dois métodos fáceis para a fabricação de
estruturas de carbono e óxido de lítio de cobalto usando impressão digital de processamento de luz e
mostrou que esses materiais poderiam ser usados como ânodos e cátodos 3D LIB, respectivamente.
Central para ambas as metodologias é o uso de tratamentos térmicos de pós-processamento para
converter um polímero impresso em 3D no material de eletrodo desejado. “A pirolise de polímeros tem
sido conhecida por resultar na formação de carbono”, explica Kai Narita, estudante de pós-graduação do
grupo Greer e principal autor do estudo em Materiais de Energia Avançada. “Nossa abordagem explora
esse fenômeno para fabricar materiais de carbono 3D. Nós simplesmente usamos uma fotoresina
comercialmente disponível com impressão de processo de luz digital para criar estruturas de polímero
3D, que então pirolisamos a 1000 oC para converter em carbono. ” A equipe então mostrou que esses
materiais de carbono 3D poderiam funcionar como ânodos em um LIB, relatando excelente desempenho
e estabilidade, e também mostrando como os comprimentos de transporte no eletrodo afetam o
desempenho da taxa.
Para fazer o material do cátodo relatado na Advanced Materials Technologies, os pesquisadores
projetaram um novo sistema de polímero imprimível em 3D que poderia ser convertido em óxido de
cobalto de lítio após o tratamento térmico. A síntese de combustão de soluções é uma técnica de
química de materiais bem estabelecida para fazer óxidos metálicos através da combustão de nitratos
metálicos. A equipe combinou isso com a impressão digital de processamento de luz, projetando um
sistema de hidrogel imprimível em 3D que continha nitratos de metal dissolvidos. O tratamento térmico
desses hidrogéis iniciaria então a reação de combustão para produzir estruturas de óxido metálico. Ao
incorporar o nitrato de lítio e o nitrato de cobalto no hidrogel impresso em 3D, eles podem ser calcinados
no ar a 700 oC para produzir as estruturas de óxido de cobalto de lítio. Estes materiais mostraram-se
eletroquimicamente ativos e podem operar como cátodos 3D em um LIB. O estudo também destacou o
impacto que a composição do polímero teve sobre a microestrutura final e composição química do óxido
de cobalto de lítio calcinado.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202170019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202170019
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202170007
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002637
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Esses estudos mostram que a fotopolimerização de materiais relevantes para a bateria agora não só é
possível, mas pode ser alcançada de maneira fácil usando reagentes comercialmente disponíveis e
tratamentos térmicos simples. Avançando, a equipe está utilizando essas técnicas para estudar
questões fundamentais sobre como a arquitetura de eletrodos, como topologia e densidade relativa,
impactam o desempenho da bateria.
Esse conhecimento pode então ser aproveitado para projetar melhores ânodos, cátodos e eletrólitos
sólidos, que podem ser combinados para criar totalmente 3D todos os LIBs de estado sólido com
desempenho aprimorado. “Criar eletrodos esculpidos em 3D, com controle total sobre seu design
arquitetônico, dimensões, e agora – materiais, está nos aproximando ainda mais da eventual realização
do Santo Graal, ou seja, uma metodologia de fabricação escalável e confiável de baterias de estado
sólido que são seguras, mecanicamente robustas e eficientes”, diz o professor Greer, que foi inspirado e
encorajado por esses resultados da pesquisa. A longo prazo, o professor Greer prevê o uso dessas
técnicas para investigar como a arquitetura pode ser usada para melhorar outros sistemas que exigem
materiais funcionais, com possíveis aplicações em catálise, atuação e fotônica.
Escrito por: Daryl Yee
Co-autoria de Kai Narita e Max Saccone
Referências: K. Narita et al, eletrodos de carbono 3D arquiteto para armazenamento de energia, Adv.
Tapete de Energia. (2021) DOI: 10.1002/aenm.202002637
D.W. (em inglês). Yee et al, Fabricação Aditiva Baseada em Hidrogel de óxido de cobalto, Adv. Mater
(Reuters) O Technol. (2021) DOI: 10.1002/admt.202000791
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002637
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002637
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202000791