De acordo com pt.wedoany.com-A equipa de investigação liderada pelo Professor Associado Palani Balaya, do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Design e Engenharia da Universidade Nacional de Singapura, resolveu com sucesso desafios críticos de segurança e desempenho em baterias de sódio totalmente sólidas, utilizando um aditivo de baixo custo de nitreto de carbono grafítico (GCN). Este avanço oferece um caminho escalável para baterias de sódio totalmente sólidas seguras e económicas, com a investigação publicada na revista Advanced Functional Materials.
A distribuição global desigual dos recursos de lítio e o aumento dos seus custos estão a levar a indústria a procurar alternativas. O sódio é cerca de 1000 vezes mais abundante na crosta terrestre do que o lítio e pode ser extraído da água do mar, tornando-o ideal para armazenamento de energia à escala da rede. No entanto, a maioria das baterias de iões de sódio depende de eletrólitos líquidos inflamáveis, apresentando riscos de segurança. Os eletrólitos poliméricos sólidos podem eliminar estes perigos, mas a sua condução de iões de sódio é lenta e o contacto instável com o ânodo de sódio metálico facilita a formação de dendrites que causam curto-circuitos.
A equipa de investigação adicionou GCN a uma membrana de eletrólito polimérico feita de óxido de polietileno e sal de sódio. O GCN é um material rico em azoto, sintetizado aquecendo ureia a 550 graus Celsius ao ar, formando lâminas com cerca de dois nanómetros de espessura. A elevada área superficial específica do GCN perturba a tendência do polímero para formar regiões cristalinas rígidas, promovendo a formação de regiões amorfas flexíveis que permitem que os iões de sódio se movam mais livremente; simultaneamente, os seus sítios ativos ricos em azoto na superfície separam os iões de sódio dos seus correspondentes sais de sódio, libertando mais portadores de carga. Este efeito combinado mais que duplica a condutividade iónica do eletrólito a 55 graus Celsius e aumenta o número de transporte de 0,19 para 0,51, reduzindo a polarização e melhorando a eficiência.
O aditivo GCN também alterou a interface entre o eletrólito e o elétrodo de sódio metálico. A resistência deste polímero compósito é três vezes superior à do polímero não modificado, impedindo fisicamente a penetração de dendrites. Além disso, o aditivo promove a formação de uma camada protetora à base de sódio rica em compostos inorgânicos na superfície do elétrodo, orientando a deposição uniforme de sódio e suprimindo reações secundárias. A uma densidade de corrente de 0,1 mA cm⁻², o eletrólito modificado operou de forma estável durante 1000 horas sem curto-circuito, enquanto o eletrólito não modificado sofreu curto-circuito em 250 horas; a uma densidade de corrente de 0,2 mA cm⁻², o eletrólito modificado funcionou sem falhas por mais de 2000 horas.
A equipa montou baterias totalmente sólidas utilizando um cátodo de fosfato de vanádio e sódio dopado com zinco e revestido a carbono, e um ânodo de sódio metálico para avaliação. A uma taxa de carga/descarga de 0,5C, a bateria manteve 95% da capacidade após 500 ciclos, com uma eficiência coulómbica de aproximadamente 99,97%, e suportou taxas de até 2C, recuperando 99% da capacidade após retornar a taxas mais baixas. Os investigadores também construíram uma célula de bolsa de camada única que continuou a alimentar um díodo emissor de luz durante processos de dobragem, desdobragem e até corte, sem sofrer curto-circuito.
Este sistema totalmente sólido é o resultado mais recente do projeto de investigação de baterias de iões de sódio da Faculdade de Design e Engenharia da Universidade Nacional de Singapura. A equipa também desenvolveu eletrólitos líquidos não inflamáveis que suportam 60 segundos de contacto direto com chama e permanecem estáveis a temperaturas de até 270 graus Celsius; além disso, desenvolveu eletrólitos retardadores de chama e cátodos de óxido lamelar resistentes à humidade. Atualmente, a equipa está a otimizar baterias de sódio de estado sólido para operação estável perto da temperatura ambiente, visando um desempenho estável a 45 graus Celsius, enquanto desenvolve arquiteturas bipolares totalmente sólidas para aumentar a densidade energética.
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