Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), nos Estados Unidos, desenvolveram recentemente um design de eletrodo impresso em 3D para dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica, resolvendo com sucesso a contradição entre alta capacidade e alta potência nesses dispositivos. Os resultados relacionados foram publicados na revista Materials Horizons.
Eletrodos espessos tradicionais, embora possam acomodar mais material ativo e aumentar a capacidade de armazenamento de energia, dificultam o movimento de íons entre o ânodo e o cátodo, resultando em velocidades de carregamento mais lentas. "No design planar tradicional, como os íons não conseguem alcançar eficientemente as regiões profundas, uma grande quantidade de material da bateria não é totalmente utilizada, gerando assim zonas mortas e perdas por resistência concentrada perto da interface", explicou Giovanna Bucci, pesquisadora da Divisão de Engenharia Computacional do LLNL e coautora do artigo.
A equipe de pesquisa mudou o foco da composição química dos materiais para a inovação estrutural, combinando otimização de design computacional com tecnologia de impressão 3D para criar uma complexa estrutura de eletrodo tridimensional interligada. Este design maximiza a área de superfície, garantindo que os íons tenham caminhos curtos e convenientes por toda a estrutura. O coautor do artigo e pesquisador do CED, Li Hanyu, declarou: "O computador pode gerar geometrias que são difíceis de entender intuitivamente apenas com a experiência, mas essas formas estão diretamente relacionadas aos limites físicos do dispositivo. Isso nos ajuda a entender por que certas características geométricas são boas e como diferentes geometrias se adequam a diferentes cenários de aplicação."
Na etapa de fabricação, a equipe utilizou a técnica de microestereolitografia de múltiplos materiais e resinas especiais para imprimir eletrodos interdigitados de 4 mm em duas etapas: primeiro, uma base porosa de óxido de grafeno foi impressa para melhorar a integração iônica e, em seguida, uma camada superficial de ouro foi depositada para aumentar a condutividade eletrônica. Esta estrutura de "dedos interligados" elimina as zonas mortas, fornecendo numerosos canais de entrada e saída para íons e elétrons. O pesquisador do CED, Thomas Roy, destacou: "Este estudo considera a estrutura do eletrodo como um fator de desempenho tão importante quanto o próprio material. O layout tridimensional interpenetrante otimizado cria muitos canais acessíveis para os íons, enquanto a rede condutora integrada suporta o transporte de elétrons na estrutura."
O eletrodo ultraespesso otimizado de 5,8 mm demonstrou em testes uma capacidade de armazenamento dobrada, menor resistência e vida útil confiável por mais de 7500 ciclos de carga e descarga. O pesquisador de Ciências Físicas e da Vida, Marcus Worsley, afirmou: "O verdadeiro avanço não é um componente isolado, mas sim a integração."
A equipe de pesquisa planeja estender esta estrutura de otimização para áreas como baterias de íons de lítio, veículos elétricos e infraestrutura de energia renovável.