Grafeno e baterias
O grafeno, uma folha de átomos de carbono unidos em um padrão de rede em favo de mel, é amplamente reconhecido como um “material maravilhoso” devido à miríade de atributos surpreendentes que possui. É um potente condutor de energia elétrica e térmica, extremamente leve quimicamente inerte e flexível com grande área de superfície. Também é considerado ecologicamente correto e sustentável, com possibilidades ilimitadas para inúmeras aplicações.
As vantagens das baterias de grafeno
No campo das baterias, os materiais convencionais de eletrodo de bateria (e os potenciais) são significativamente melhorados quando aprimorados com grafeno. Uma bateria de grafeno pode ser leve, durável e adequada para armazenamento de energia de alta capacidade, além de reduzir os tempos de carregamento. Isso prolongará a vida útil da bateria, que está negativamente ligada à quantidade de carbono que é revestida no material ou adicionada aos eletrodos para obter condutividade, e o grafeno adiciona condutividade sem exigir as quantidades de carbono usadas em baterias convencionais.
O grafeno pode melhorar os atributos da bateria como densidade e forma de energia de várias maneiras. As baterias de íon de lítio (e outros tipos de baterias recarregáveis) podem ser aprimoradas com a introdução de grafeno no ânodo da bateria e capitalizando a condutividade do material e as características de grande área de superfície para obter otimização e desempenho morfológicos.
Também foi descoberto que a criação de materiais híbridos também pode ser útil para alcançar o aprimoramento da bateria. Um híbrido de óxido de vanádio (VO2) e grafeno, por exemplo, podem ser usados em cátodos de íons de lítio e garantem carga e descarga rápidas, bem como grande durabilidade do ciclo de carga. Neste caso, V.O.2 oferece alta capacidade de energia, mas baixa condutividade elétrica, que pode ser resolvida usando o grafeno como uma espécie de “espinha dorsal” estrutural na qual anexar VO2 – criando um material híbrido que tem capacidade elevada e excelente condutividade.
Outro exemplo são as baterias LFP (Lithium Iron Phosphate), que é um tipo de bateria recarregável Li-ion. Tem uma densidade de energia mais baixa do que outras baterias de íon de lítio, mas uma densidade de energia mais alta (um indicador da taxa na qual a energia pode ser fornecida pela bateria). O aprimoramento dos cátodos LFP com grafeno permitiu que as baterias fossem leves, carregassem muito mais rápido do que as baterias de íons de lítio e tivessem uma capacidade maior do que as baterias LFP convencionais.
Além de revolucionar o mercado de baterias, o uso combinado de baterias de grafeno e grafeno supercapacitores poderia produzir resultados surpreendentes, como o notável conceito de melhorar a autonomia e a eficiência do carro elétrico. Embora as baterias de grafeno ainda não tenham alcançado uma ampla comercialização, avanços nas baterias estão sendo relatados em todo o mundo.
Noções básicas de bateria
As baterias servem como uma fonte móvel de energia, permitindo que dispositivos movidos a eletricidade funcionem sem serem conectados diretamente a uma tomada. Embora existam muitos tipos de baterias, o conceito básico pelo qual elas funcionam permanece semelhante: uma ou mais células eletroquímicas convertem a energia química armazenada em energia elétrica. Uma bateria geralmente é feita de um invólucro de metal ou plástico, contendo um terminal positivo (um ânodo), um terminal negativo (um cátodo) e eletrólitos que permitem que os íons se movam entre eles. Um separador (uma membrana polimérica permeável) cria uma barreira entre o ânodo e o cátodo para evitar curtos-circuitos elétricos ao mesmo tempo que permite o transporte de portadores de carga iônica que são necessários para fechar o circuito durante a passagem da corrente. Por fim, um coletor é utilizado para conduzir a carga fora da bateria, por meio do dispositivo conectado.
Quando o circuito entre os dois terminais está completo, a bateria produz eletricidade através de uma série de reações. O ânodo sofre uma reação de oxidação na qual dois ou mais íons do eletrólito se combinam com o ânodo para produzir um composto, liberando elétrons. Ao mesmo tempo, o cátodo passa por uma reação de redução na qual a substância do cátodo, íons e elétrons livres se combinam em compostos. Simplificando, a reação do ânodo produz elétrons enquanto a reação no cátodo os absorve e desse processo a eletricidade é produzida. A bateria continuará a produzir eletricidade até que os eletrodos fiquem sem a substância necessária para a criação de reações.
Tipos e características da bateria
As baterias são divididas em dois tipos principais: primárias e secundárias. As baterias primárias (descartáveis) são usadas uma vez e inutilizadas, pois os materiais dos eletrodos nelas mudam irreversivelmente durante o carregamento. Exemplos comuns são a bateria de zinco-carbono, bem como a bateria alcalina usada em brinquedos, lanternas e uma infinidade de dispositivos portáteis. As baterias secundárias (recarregáveis), podem ser descarregadas e recarregadas várias vezes, pois a composição original dos eletrodos é capaz de recuperar a funcionalidade. Exemplos incluem baterias de chumbo-ácido usadas em veículos e baterias de íon-lítio usadas para eletrônicos portáteis.
As baterias vêm em várias formas e tamanhos para inúmeras finalidades diferentes. Diferentes tipos de baterias apresentam vantagens e desvantagens variadas. As baterias de níquel-cádmio (NiCd) têm densidade de energia relativamente baixa e são usadas onde vida longa, alta taxa de descarga e preço econômico são fundamentais. Eles podem ser encontrados em câmeras de vídeo e ferramentas elétricas, entre outros usos. As baterias de NiCd contêm metais tóxicos e são prejudiciais ao meio ambiente. As baterias de hidreto de níquel-metal têm uma densidade de energia mais alta que as de NiCd, mas também um ciclo de vida mais curto. As aplicações incluem telefones celulares e laptops. As baterias de chumbo-ácido são pesadas e desempenham um papel importante em aplicações de grande potência, onde o peso não é essencial, mas o preço econômico é. Eles são predominantes em usos como equipamentos hospitalares e iluminação de emergência.
As baterias de íon de lítio (Li-ion) são usadas onde alta energia e peso mínimo são importantes, mas a tecnologia é frágil e um circuito de proteção é necessário para garantir a segurança. As aplicações incluem telefones celulares e vários tipos de computadores. As baterias de polímero de íon de lítio (polímero de íon de lítio) são encontradas principalmente em telefones celulares. São leves e têm uma forma mais fina do que as baterias de iões de lítio. Eles também são geralmente mais seguros e têm vidas mais longas. No entanto, eles parecem ser menos prevalentes, pois as baterias de íons de lítio são mais baratas de fabricar e têm maior densidade de energia.
Baterias e supercapacitores
Embora existam certos tipos de baterias capazes de armazenar uma grande quantidade de energia, elas são muito grandes, pesadas e liberam energia lentamente. Os capacitores, por outro lado, são capazes de carregar e descarregar rapidamente, mas retêm muito menos energia do que uma bateria. O uso de grafeno nesta área, no entanto, apresenta novas e excitantes possibilidades de armazenamento de energia, com altas taxas de carga e descarga e até mesmo acessibilidade econômica. O desempenho aprimorado com grafeno obscurece a linha convencional de distinção entre supercapacitores e baterias.
As baterias de grafeno combinam as vantagens de baterias e supercapacitores
As baterias aprimoradas com grafeno estão quase aqui
As baterias à base de grafeno têm um potencial empolgante e, embora ainda não estejam totalmente disponíveis comercialmente, a P&D é intensiva e esperamos que produza resultados no futuro. Empresas de todo o mundo (incluindo Samsung, Huawei e outras) estão desenvolvendo diferentes tipos de baterias aprimoradas com grafeno, algumas das quais agora estão entrando no mercado. As principais aplicações são em veículos elétricos e dispositivos móveis.
Algumas baterias usam grafeno de forma periférica – não na química da bateria. Por exemplo, em 2016, Huawei revelou uma nova bateria Li-Ion aprimorada com grafeno que usa grafeno para permanecer funcional em temperaturas mais altas (60° graus em oposição ao limite existente de 50°) e oferece o dobro do tempo de operação. O grafeno é usado nesta bateria para melhor dissipação de calor – reduz a temperatura de operação da bateria em 5 graus.
Fonte: Baterias de grafeno: introdução e notícias do mercado | Grafeno-Informações
