De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores do laboratório de Julia R. Greer, no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), desenvolveram um novo método para fabricar cátodos de bateria com estrutura tridimensional, visando melhorar a segurança, reduzir o impacto ambiental e aumentar o desempenho das futuras baterias.
Este novo cátodo substitui o cobalto, que é tóxico, caro e cuja extração apresenta problemas éticos, por fosfato de ferro-lítio (LFP) incorporado em uma matriz de carbono. O fosfato de ferro-lítio é mais seguro durante sobrecargas, com menor risco de incêndio ou curto-circuito. Os pesquisadores superaram as limitações do desempenho inerentemente inferior do LFP ao redesenhar a estrutura interna da bateria.
Yingjin Wang, estudante de pós-graduação no laboratório de Greer, afirmou que a equipe desenvolveu um método universal para fabricar eletrodos de bateria com estrutura tridimensional usando materiais mais seguros. Ao combinar o fosfato de ferro-lítio (comumente chamado de LFP) com uma matriz de carbono, o design melhora a tenacidade mecânica da bateria, ao mesmo tempo que elimina o uso de cobalto perigoso.
As baterias de íon-lítio são a principal fonte de energia para dispositivos móveis modernos, veículos elétricos e redes elétricas de energia renovável, sendo compostas por cinco componentes principais: ânodo, cátodo, eletrólito líquido, separador e coletor de corrente. Apesar de seu importante valor comercial, os designs padrão apresentam riscos contínuos de segurança e limitações de desempenho. Este novo avanço oferece um caminho para tecnologias de armazenamento de energia mais seguras, ecológicas e de maior desempenho, ao repensar o design da bateria.
As baterias de íon-lítio tradicionais dependem de eletrodos planos bidimensionais, enquanto a nova pesquisa introduz um cátodo com estrutura tridimensional produzido por impressão 3D. A transição de um design plano para uma estrutura 3D maximiza a área de superfície ativa para a conversão de energia química em elétrica. Greer explica que essa estrutura favorece o desacoplamento das distâncias de difusão no estado sólido e líquido; à medida que o eletrólito líquido flui pela estrutura labiríntica, há superfície sólida disponível em todos os lugares. Simultaneamente, o design reduz a tortuosidade, encurtando o caminho físico de movimento dos íons entre o cátodo e o separador, aumentando assim a densidade de potência da bateria, permitindo que ela libere a energia armazenada mais rapidamente.
Atualmente, os cátodos das baterias de íon-lítio dependem de cobalto, cuja cadeia de suprimentos é prejudicada por práticas de mineração antiéticas, e o material em si apresenta riscos de segurança. Em contraste, o fosfato de ferro-lítio é uma alternativa mais segura, com propriedades químicas estáveis que reduzem o risco de fuga térmica ou curto-circuito. Greer observa que o fosfato de ferro-lítio não é um material novo em si, mas o uso da manufatura aditiva (ou seja, impressão 3D) para fabricar eletrodos estruturais sem cobalto é uma novidade. O próximo marco dos pesquisadores é projetar um ânodo de fosfato de ferro-lítio com estrutura 3D correspondente, para alcançar uma bateria totalmente 3D que combine alta densidade de energia e alta densidade de potência. Dado o estágio inicial da pesquisa e os parâmetros complexos de fabricação, atingir esse objetivo será um desafio de fabricação altamente complexo. O objetivo final da equipe é integrar um eletrólito à base de polímero para alcançar uma bateria verdadeiramente de estado sólido. A pesquisa foi publicada na revista ACS Energy Letters.
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