Mais espesso, mais denso, melhor: novos eletrodos podem ser a chave para baterias avançadas

Sinterização rápida assistida por campo elétrico e pressão para controlar o alinhamento do grafeno em eletrodos compostos espessos para aumentar o desempenho do armazenamento de lítio. Crédito: Hongtao Sun, Penn State. Todos os direitos reservados.

16 de agosto de 2023

Por Jamie Oberdick

UNIVERSITY PARK, Pensilvânia — A procura de baterias de alto desempenho, especialmente para utilização em veículos eléctricos, está a aumentar à medida que o mundo muda o seu consumo de energia para um sistema mais eléctrico, reduzindo a dependência de combustíveis fósseis e dando prioridade aos esforços de remediação climática. Para melhorar o desempenho e a produção das baterias, pesquisadores e colaboradores da Penn State desenvolveram uma nova abordagem de fabricação que poderia tornar baterias mais eficientes que mantêm os níveis de energia e potência.

O método aprimorado para fabricar eletrodos de bateria pode levar a baterias de alto desempenho que permitiriam veículos elétricos mais eficientes em termos energéticos, bem como benefícios como melhorar o armazenamento da rede elétrica, de acordo com Hongtao Sun. Sun é professor assistente de engenharia industrial e de manufatura na Penn State e co-autor correspondente do estudo, que foi publicado e apresentado na capa da Carbon.

“Com as baterias atuais, queremos que elas nos permitam dirigir um carro por distâncias maiores, e queremos carregar o carro em talvez cinco minutos, 10 minutos, comparável ao tempo que leva para abastecer”, disse Sun. “Em nosso trabalho, consideramos como podemos conseguir isso tornando os eletrodos e as células da bateria mais compactos, com maior percentual de componentes ativos e menor percentual de componentes passivos.”

Se um fabricante de carros elétricos quiser melhorar a distância percorrida de seus veículos, ele adiciona mais células de bateria, chegando aos milhares. Quanto menor e mais leve, melhor, segundo Sun.

“A solução para distâncias de condução mais longas para um veículo elétrico é apenas adicionar baterias compactas, mas com eletrodos cada vez mais grossos”, disse Sun, explicando que tais eletrodos poderiam conectar e alimentar melhor os componentes da bateria, tornando-os mais ativos. abordagem pode reduzir ligeiramente o desempenho da bateria por peso do eletrodo, melhora significativamente o desempenho geral do veículo, reduzindo o peso do pacote da bateria e a energia necessária para mover o veículo elétrico.”

Eletrodos mais eficientes – uma espécie de porta de entrada para a eletricidade em uma bateria – poderiam ajudar a obter uma bateria com uma porcentagem maior de componentes ativos.

“Se você pensar nos componentes principais de uma bateria, apenas o eletrodo contribui para o desempenho da bateria”, disse Sun. “As outras partes, como embalagem, separador, coletor de corrente e assim por diante, são todos componentes passivos que adicionam peso e fazem "Não contribui em nada para o desempenho da bateria. Se quisermos melhorar o desempenho da bateria, precisamos trabalhar nos materiais dos eletrodos da bateria e maximizar sua porcentagem de peso em uma célula de bateria."

“Com as baterias atuais, queremos que elas nos permitam dirigir um carro por distâncias mais longas, e queremos carregar o carro em talvez cinco minutos, 10 minutos, comparável ao tempo que leva para abastecer”,

Hongtao Sun, professor assistente de engenharia industrial e de manufatura na Penn State

Tentativas anteriores de melhorar o desempenho da bateria por meio de eletrodos melhores focaram em apenas uma métrica, o que não foi tão eficaz porque a bateria teve um desempenho ruim em outras métricas de compensação. Por exemplo, quando uma bateria prioriza um alto desempenho gravimétrico (a quantidade de energia que pode armazenar em relação ao seu peso), isso pode resultar em desempenho métrico de área reduzido (quanta carga pode armazenar por unidade de área) e/ou desempenho volumétrico diminuído ( a quantidade de carga fornecida em relação ao tamanho da bateria).

Normalmente, as baterias consistem em eletrodos de película fina anódico e cátodo colocados entre duas folhas condutoras de corrente e separados por separadores isolantes. Aumentar a espessura desses eletrodos poderia melhorar a capacidade e a densidade de armazenamento de energia, fornecendo mais espaço para armazenar e liberar energia. Um eletrodo mais grosso pode armazenar mais cargas e, portanto, assim como um tanque maior pode reter mais água, pode reter mais energia. No entanto, eles também têm um transporte de carga deficiente, o que degrada o seu desempenho geral.