Cientistas do Laboratório Nacional Sandia, nos Estados Unidos, criaram a menor bateria recarregável do mundo - seu anodo é um único nanofio com sete milésimos da espessura de um fio cabelo humano.
Ao construir essa nanobateria, a equipe do professor Jianyu Huang esperava descobrir formas de otimizar as baterias de lítio que equipam os notebooks e celulares, mas que ainda não conseguiram viabilizar os carros elétricos.
E o esforço parece ter valido a pena.
Conforme a carga "sobe" pelo nanofio, até completá-lo inteiramente, a estrutura se contorce e chega a dobrar de tamanho.[Imagem: Sandia]
Menor bateria do mundo
"Este experimento nos permitiu estudar o carregamento e o descarregamento de uma bateria em tempo real e com resolução em escala atômica, ampliando assim a nossa compreensão dos mecanismos fundamentais de funcionamento das baterias," afirmou o pesquisador.
A bateria minúscula criada por Huang e seus colegas possui um anodo que é um único nanofio de óxido de estanho, medindo 100 nanômetros de diâmetro e 10 micrômetros de comprimento. O catodo é um bloco de óxido de lítio-cobalto com três milímetros de comprimento. O eletrólito é um líquido iônico.
O dispositivo oferece a capacidade de observar diretamente alterações na estrutura atômica durante o carregamento e o descarregamento dessa bateria minimalista.
Baterias de nanofios
Os materiais baseados em nanofios têm melhor potencial para melhorar a eficiência das baterias de íons de lítio do que os eletrodos de materiais sólidos.
Testes feitos por várias equipes ao redor do mundo têm demonstrado que os nanofios podem gerar ganhos significativos na potência e na densidade de energia das baterias.
Mas o mais comum tem sido juntar os nanomateriais para criar os eletrodos, e não usá-los individualmente. Segundo Huang, isso é como ficar olhando para uma floresta para tentar entender o comportamento de cada árvore.
Detalhe da fronteira entre o segmento carregado e o não-carregado, mostrando as alterações na estrutura atômica da nanobateria. [Imagem: Sandia]
Bateria que estica
Ao analisar sua bateria de nanofio único, os pesquisadores se depararam com uma descoberta que os surpreendeu: o nanofio de óxido de estanho quase dobra de comprimento durante o carregamento. Seu diâmetro também aumenta, mas não tanto.
Os projetos das baterias atuais se baseiam na concepção, agora demonstrada falsa, de que as estruturas internas das baterias "incham" ao longo do seu diâmetro, e não longitudinalmente.
Esta pode ser a razão dos curtos-circuitos que diminuem a vida útil das baterias.
A descoberta só foi possível pela observação dos íons de lítio conforme eles viajam ao longo do nanofio.
A expansão de volume, a plasticidade e a pulverização dos eletrodos são os principais defeitos mecânicos que afetam o desempenho e a vida útil das baterias de íons de lítio de alta capacidade.
"Portanto, nossas observações da cinética estrutural e da amorfização [a mudança na estrutura cristalina normal do material] tem implicações importantes para o projeto de baterias de alta capacidade e na mitigação das falhas das baterias," afirmou Huang.
Ao construir essa nanobateria, a equipe do professor Jianyu Huang esperava descobrir formas de otimizar as baterias de lítio que equipam os notebooks e celulares, mas que ainda não conseguiram viabilizar os carros elétricos.
E o esforço parece ter valido a pena.
Menor bateria do mundo
"Este experimento nos permitiu estudar o carregamento e o descarregamento de uma bateria em tempo real e com resolução em escala atômica, ampliando assim a nossa compreensão dos mecanismos fundamentais de funcionamento das baterias," afirmou o pesquisador.
A bateria minúscula criada por Huang e seus colegas possui um anodo que é um único nanofio de óxido de estanho, medindo 100 nanômetros de diâmetro e 10 micrômetros de comprimento. O catodo é um bloco de óxido de lítio-cobalto com três milímetros de comprimento. O eletrólito é um líquido iônico.
O dispositivo oferece a capacidade de observar diretamente alterações na estrutura atômica durante o carregamento e o descarregamento dessa bateria minimalista.
Baterias de nanofios
Os materiais baseados em nanofios têm melhor potencial para melhorar a eficiência das baterias de íons de lítio do que os eletrodos de materiais sólidos.
Testes feitos por várias equipes ao redor do mundo têm demonstrado que os nanofios podem gerar ganhos significativos na potência e na densidade de energia das baterias.
Mas o mais comum tem sido juntar os nanomateriais para criar os eletrodos, e não usá-los individualmente. Segundo Huang, isso é como ficar olhando para uma floresta para tentar entender o comportamento de cada árvore.
Bateria que estica
Ao analisar sua bateria de nanofio único, os pesquisadores se depararam com uma descoberta que os surpreendeu: o nanofio de óxido de estanho quase dobra de comprimento durante o carregamento. Seu diâmetro também aumenta, mas não tanto.
Os projetos das baterias atuais se baseiam na concepção, agora demonstrada falsa, de que as estruturas internas das baterias "incham" ao longo do seu diâmetro, e não longitudinalmente.
Esta pode ser a razão dos curtos-circuitos que diminuem a vida útil das baterias.
A descoberta só foi possível pela observação dos íons de lítio conforme eles viajam ao longo do nanofio.
A expansão de volume, a plasticidade e a pulverização dos eletrodos são os principais defeitos mecânicos que afetam o desempenho e a vida útil das baterias de íons de lítio de alta capacidade.
"Portanto, nossas observações da cinética estrutural e da amorfização [a mudança na estrutura cristalina normal do material] tem implicações importantes para o projeto de baterias de alta capacidade e na mitigação das falhas das baterias," afirmou Huang.
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