Os ânodos de silício oferecem excelentes capacidades de armazenamento para baterias de íon de lítio, mas degradam-se em apenas alguns ciclos de carga e descarga. Um grande avanço foi alcançado nessa área.
Agrupados em um
laboratório de pesquisa internacional (IRL), pesquisadores do Laboratório de Nanotecnologias e Nanossistemas, da Universidade de Sherbrooke, do Instituto Nacional de Pesquisa Científica e do Laboratório de Engenharia de Materiais e Ciência desenvolveram uma nova arquitetura de ânodos de silício.
De acordo com esse trabalho, publicado na revista
Energy Storage Materials, eles armazenam pelo menos três vezes mais energia do que o esperado, e por duzentos ciclos, em vez de apenas alguns.
Entre dispositivos eletrônicos portáteis, a Internet das Coisas e veículos elétricos, a demanda por baterias de alta densidade energética continua aumentando. A tecnologia mais madura, a bateria de íon de lítio, utiliza ânodos de grafite cujo desempenho já não evolui suficientemente para atender a essa demanda. Os ânodos de silício, por sua vez, oferecem dez vezes mais armazenamento de energia por volume equivalente, mas eles incham tanto durante a carga que degradam a bateria em apenas alguns ciclos.
Graças a uma sólida colaboração franco-quebequense, os pesquisadores do Laboratório de Nanotecnologias e Nanossistemas (
LN2, CNRS/Centrale Lyon/INSA Lyon/Univ. Grenoble Alpes/Univ. Sherbrooke), da
Universidade de Sherbrooke (Canadá), do Instituto Nacional de Pesquisa Científica (
INRS, Canadá) e do Laboratório de Engenharia de Materiais e Ciência (
MatéiS, CNRS/INSA Lyon/Univ. Claude Bernard) desenvolveram uma nova arquitetura de ânodos de silício, que atingem o estado da arte em armazenamento, sem se danificar por pelo menos duzentos ciclos de carga e descarga.
Os pesquisadores resolveram o problema do inchaço utilizando silício poroso. O aumento de volume durante a carga ocorre então para o interior, reduzindo o tamanho dos poros, em vez de expandir todo o material. Essa estrutura, entretanto, causa uma acumulação irreversível de lítio nos poros, o que afeta o desempenho da bateria. Os pesquisadores então aplicaram um tratamento térmico que forma uma camada superficial minúscula de silício sólido, diminuindo a área de contato com o eletrólito.
Detalhe de um ânodo de silício com a camada porosa (P-SI) e a camada maciça (Bulk).
© Sofiane Abdelouhab et al.
Esta arquitetura também apresenta propriedades mecânicas originais, embora ainda pouco compreendidas. Esta estrutura tipo sanduíche oferece desempenhos de armazenamento de 9 mAh.cm
-2 por mais de duzentos ciclos, o que é três vezes o limite considerado interessante pela indústria. Em um número limitado de ciclos, esses ânodos alcançam até 20 mAh.cm
-2, tudo isso com métodos de baixo custo, compatíveis com os processos convencionais da microeletrônica.
Este processo foi patenteado e a equipe agora explora como fazer esses ânodos funcionarem com eletrólitos sólidos, mais seguros do que os equivalentes líquidos.
Referências:
High-areal capacity Si architecture as an on-chip anode for lithium-ion batteries.
Sofiane Abdelouhab, Graniel Harne A. Abrenica, Alexandre Heitz, Sylvain Meille, Lionel Roué, Abderraouf Boucherif, Denis Machon.
Energy Storage Materials, Volume 65, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103172
Fonte: CNRS INSIS