Os materiais do ânodo são cruciais para baterias de íons de lítio e afetam diretamente o desempenho da bateria. O grafite, o ânodo à base de carbono mais usado, tem baixa capacidade e baixa estabilidade. Sua segurança e desempenho de taxa são difíceis de melhorar.
Um foco de pesquisa é encontrar novos materiais à base de carbono para substituir ânodos comerciais.
Entre os materiais de carbono, carbono poroso tem alta área de superfície e morfologia controlável. Sua rica estrutura de poros e boa condutividade aumentam a estabilidade e reduzem os custos de síntese. O carbono poroso é amplamente usado em armazenamento de energia e catálise. Seu potencial em baterias de lítio é significativo — vamos explorar mais.
Vantagens dos materiais de carbono porosos para baterias de lítio
Baterias de íons de lítio usam íons de lítio como meio de transmissão de energia, e os eletrodos são mecanismos de armazenamento eletroquímico de lítio incorporados. Ao carregar, íons de lítio são gerados no eletrodo positivo da bateria. Os íons de lítio gerados são desintercalados do eletrodo positivo e se movem para o eletrodo negativo através do eletrólito. O material de carbono como eletrodo negativo tem uma estrutura em camadas e muitos microporos. Os íons de lítio que atingem o eletrodo negativo são incorporados nos microporos do material de carbono.
Quanto mais íons de lítio forem incorporados, maior será a capacidade de carga. Neste momento, o eletrodo negativo é rico em lítio, e o eletrodo positivo é pobre em lítio. Ao mesmo tempo, a carga de compensação de elétrons será fornecida ao eletrodo negativo de carbono do circuito externo, garantindo assim o equilíbrio de carga do eletrodo negativo. Durante a descarga, os íons de lítio deixam o ânodo e se reinserem no cátodo através do eletrólito.
Como um ânodo de bateria de íons de lítio, a alta área de superfície do carbono poroso liga mais íons de lítio para maior capacidade. Sua estrutura de poros complexa fornece caminhos de difusão eficientes e encurta a distância de difusão de íons de lítio. Defeitos como vacâncias e dopagem de heteroátomos servem como locais de armazenamento de lítio. Durante a inserção/extração de lítio, o estresse mecânico das mudanças de volume é mínimo, garantindo boa estabilidade do ciclo. Assim, o carbono poroso frequentemente exibe melhor desempenho eletroquímico do que o grafite tradicional.
Qual é o tamanho ideal de poro para carbono poroso?
O carbono poroso pode ser dividido em três tipos de acordo com o tamanho dos poros: carbono microporoso (tamanho dos poros menor que 2 nm), carbono mesoporoso (tamanho dos poros entre 2 e 50 nm) e carbono macroporoso (tamanho dos poros maior que 50 nm).
Carbono microporoso
O carbono microporoso tem uma alta área de superfície específica e exibe alta capacidade específica como um material de eletrodo. Pesquisadores prepararam carbono microporoso de alta área de superfície usando um método de modelagem.
Como um ânodo de bateria de íons de lítio, ele mostrou uma grande capacidade irreversível (2547 mA·h/g). Isso ocorre porque a alta área de superfície aumenta a área de formação de SEI.
Além disso, ele fornece mais sítios de ligação para grupos funcionais contendo oxigênio e hidrogênio. Esses grupos funcionais sofrem reações irreversíveis com íons de lítio, levando a uma alta capacidade irreversível. Decaimento significativo da capacidade é observado nos ciclos iniciais. Portanto, o carbono microporoso de estrutura única não é um material ideal para ânodo de bateria de íons de lítio.
Carbono mesoporoso
O carbono mesoporoso também pode ser usado como material de ânodo de bateria de íons de lítio.
Usando sílica ordenada como molde, o carbono mesoporoso ordenado (CMK-3) pode ser sintetizado. Ele exibe alta capacidade reversível e excelente desempenho de ciclo de carga-descarga. Após o primeiro ciclo, a capacidade de carga-descarga permanece estável. Isso ocorre porque a estrutura porosa ordenada minimiza a resistência ao transporte de íons, resultando em excelente estabilidade de ciclo.
Carbono macroporoso
O carbono macroporoso ordenado preparado pelo método de molde também pode ser usado como material de ânodo de bateria de íons de lítio.
Usando opalas de sílica inversas como modelo, carbono macroporoso ordenado com uma estrutura de poros interconectados 3D e paredes de poros grafitadas pode ser sintetizado através do método de deposição química de vapor (CVD) usando benzeno.
Como um ânodo de bateria de íons de lítio, ele mantém uma capacidade de 320 mA·h/g após 60 ciclos a 200 mA/g, com uma taxa de retenção de capacidade de 98%.
Usando polimetilmetacrilato (PMMA) como modelo, um material macroporoso ordenado em 3D pode ser sintetizado por meio do método sol-gel de resorcinol-formaldeído.
Como material de ânodo, ele atinge uma capacidade de 260 mA·h/g a 1000 mA/g, com uma retenção de capacidade de 83% após 30 ciclos.
Poroso Graduado
Entretanto, materiais de carbono porosos com estrutura de poro único inevitavelmente apresentam algumas desvantagens.
Para melhorar seu desempenho, o carbono poroso hierárquico — que integra poros interconectados de diferentes tamanhos em uma estrutura graduada — tornou-se um foco de pesquisa. As vantagens combinadas são as seguintes:
- Os microporos proporcionam uma alta área de superfície específica, melhorando a capacidade de armazenamento de carga e aumentando a capacidade da bateria de íons de lítio.
- Os mesoporos criam canais de transporte rápido para íons eletrolíticos, melhorando a infiltração de eletrólitos.
- Os macroporos encurtam as distâncias de difusão de íons, facilitando o transporte de íons e garantindo alta capacidade de retenção sob condições de alta corrente.
Por exemplo:
Simplesmente aquecendo carbonato de lítio e hidreto de lítio, carbono poroso hierárquico semelhante a uma esponja (HPC semelhante a uma esponja) com uma área de superfície específica ultra-alta (1049 m²/g) foi sintetizado de maneira ecologicamente correta e eficiente, conforme mostrado na figura.
Quando usado como material de ânodo para baterias de íons de lítio, o HPC tipo esponja exibe:
Capacidade reversível ultra-alta (1750 mA·h/g a 0,2 A/g), Estabilidade de ciclo excepcional (retenção de capacidade de ≈100% após 2000 ciclos), Desempenho de taxa excepcional.
O carbono poroso hierárquico também pode ser modificado por meio de dopagem de heteroátomos, onde alguns átomos de carbono na estrutura porosa são substituídos por outros átomos. Ao explorar a diferença de eletronegatividade entre carbono e átomos estranhos, essa modificação ajusta a distribuição de carga e a formação de defeitos dentro do carbono poroso, melhorando suas propriedades físico-químicas.
O carbono poroso tem aplicações potenciais
Em pesquisa, cientistas desenvolveram uma membrana de carbono porosa adicionando Fe3C para formar poros em forma de favo de mel e dedos. Esta membrana de carbono porosa atinge uma alta área de superfície específica. Ela pode servir diretamente como material ativo e coletor de corrente. Os poros grandes fornecem espaço interno suficiente para suportar mudanças de volume durante carga/descarga. A membrana de carbono porosa assimétrica oferece transporte de elétrons em alta velocidade e promove a difusão de eletrólitos e íons de lítio.
Embora o carbono poroso possa não se igualar a materiais como nanotubos de carbono ou grafeno em flexibilidade e propriedades mecânicas, ele é uma escolha ideal para altas cargas de massa de eletrodo.
Pesquisas futuras podem explorar a combinação de carbono poroso com grafeno ou nanotubos de carbono. Isso poderia produzir coletores de corrente de bateria de íons de lítio flexíveis superiores para dispositivos vestíveis.
Conclusão
Cientistas acreditam que o carbono poroso tem grande potencial para uso generalizado em eletrodos autossustentáveis e coletores de corrente. Isso ocorre porque o desenvolvimento de baterias de íons de lítio de próxima geração se concentrará em maior capacidade, maior vida útil, maior respeito ao meio ambiente e menor custo. Isso exigirá que os coletores de corrente tenham desempenho eletroquímico mais estável, melhor condutividade, peso mais leve e menor custo. Além disso, futuros dispositivos vestíveis exigirão coletores de corrente com estruturas flexíveis. Portanto, em comparação com coletores de corrente de metal, os coletores de corrente de nanocarbono têm uma perspectiva muito mais ampla.
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