Pesquisadores do Instituto N.S. Kurnakov de Química Geral e Inorgânica da Academia Russa de Ciências, em colaboração com a Universidade Hebraica de Jerusalém, sintetizaram com sucesso um novo material anódico para baterias de íon-sódio baseado em sulfeto de germânio e MXene. Este material pode operar de forma estável por um grande número de ciclos em altas taxas de carga/descarga. Os resultados da pesquisa foram publicados no *Journal of Colloid and Interface Science*. Este método de síntese também abre um novo caminho para a obtenção de materiais de armazenamento de energia contendo MXene com alta capacidade eletroquímica específica.

Os materiais anódicos modernos para baterias de íon-metal se dividem principalmente em três categorias: intercalação, conversão e liga. Os materiais de intercalação, devido à introdução reversível de íons metálicos e à pequena variação de volume, apresentam alta estabilidade e longa vida útil, sendo comercializados e amplamente utilizados em dispositivos como baterias de celulares e veículos elétricos. Os materiais de conversão se decompõem completamente durante a reação para formar novos compostos, frequentemente acompanhados por grandes variações de volume e baixa eficiência energética. Materiais de liga formam ligas com metais alcalinos, resultando em altos valores de capacidade, mas a fase ativa do material sofre grande expansão de volume (até 300%), danificando facilmente o eletrodo e limitando suas aplicações.

Materiais de liga de conversão, e aqueles que combinam ambos os mecanismos, sofrem de histerese de tensão durante a ciclagem, limitando suas aplicações e levando a baixa eficiência energética, com perdas de energia que chegam a 25% por ciclo. No entanto, materiais de ânodo de liga de conversão têm atraído atenção significativa em muitas aplicações de nicho devido à sua maior capacidade eletroquímica específica em comparação com materiais intercalados, e são promissores para uso em campos com requisitos de densidade de energia extremamente alta, como dispositivos eletrônicos portáteis especializados, equipamentos aeroespaciais e implantes médicos.

As propriedades eletroquímicas dos materiais de conversão podem ser significativamente melhoradas alterando sua composição e morfologia. Um método tradicional para fabricar tais materiais de ânodo envolve o uso de um substrato condutor e o revestimento de sua superfície com uma fina camada de nanopartículas de fase eletroquimicamente ativa para melhorar a condutividade, aumentar a área superficial específica, melhorar as características de velocidade do eletrodo e resolver problemas de estabilidade do material.

Neste estudo, pesquisadores russos, em colaboração com colegas israelenses, desenvolveram um material de eletrodo eficaz para baterias de íon-sódio baseado em sulfeto de germânio e MXene, capaz de operar de forma estável por um grande número de ciclos em altas taxas de carga/descarga. De acordo com os autores, o material compósito desenvolvido apresenta excelente resistência a altas correntes de carga/descarga, com perda de capacidade inferior a 15% quando a densidade de corrente aumenta 30 vezes (de 0,1 A g⁻¹ para 3 A g⁻¹). Em altas densidades de corrente (superiores a 1 A g⁻¹), o ânodo resultante (GeSₓ/MXene) apresentou desempenho superior a ânodos similares baseados em GeS₂ e óxido de grafeno reduzido (rGO) (sintetizados por métodos semelhantes).

Alexey Mikhailov, pesquisador sênior e doutor em química no Laboratório de Compostos de Peróxido e seus Materiais Baseados do IGIC da Academia Russa de Ciências, comentou que esta pesquisa apresenta um novo eletrodo de filme fino para baterias de íon-sódio baseado em um revestimento bidimensional de carbeto de titânio e sulfeto de germânio. A adição de surfactantes durante a síntese previne a agregação e controla o tamanho das partículas. O material compósito desenvolvido é particularmente adequado para uso como ânodo em baterias de íon-sódio devido à alta condutividade do MXene e à alta capacidade específica do sulfeto de germânio.

Este trabalho foi realizado no âmbito de uma missão nacional no Instituto de Química Geral e Química Inorgânica da Academia Russa de Ciências, com apoio financeiro do Ministério da Ciência e Educação da Federação Russa.