Novos materiais estão impulsionando a revolução da bateria
As baterias de iões de lítio, como as aqui apresentadas, são actualmente o tipo de bateria mais comum na electrónica.
Existem mais telefones celulares no mundo do que pessoas. Quase todos eles são alimentados por baterias de íons de lítio recarregáveis , o componente mais importante que possibilita a revolução da eletrônica portátil das últimas décadas. Nenhum desses dispositivos seria atraente para os usuários se eles não tivessem energia suficiente para durar pelo menos várias horas, sem serem particularmente pesados.
As baterias de íons de lítio também são úteis em aplicações maiores, como veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia de redes inteligentes . E as inovações dos pesquisadores em ciência de materiais, buscando melhorar as baterias de íons de lítio, estão preparando o caminho para ainda mais baterias com desempenho ainda melhor. Já existe demanda para baterias de alta capacidade que não pegariam fogo ou explodiriam . E muitas pessoas sonharam com baterias menores e mais leves que carregam em minutos - ou mesmo segundos - e armazenam energia suficiente para alimentar um dispositivo durante dias .
Pesquisadores como eu , porém, estão pensando ainda mais aventureiramente. Carros e sistemas de armazenamento em rede seriam ainda melhores se pudessem ser descarregados e recarregados dezenas de milhares de vezes ao longo de muitos anos, ou mesmo décadas. As equipes de manutenção e os clientes adorariam baterias que pudessem se monitorar e enviar alertas se estivessem danificados ou não funcionassem com desempenho máximo - ou até mesmo conseguissem se consertar. E não pode ser demais sonhar com baterias de propósito duplo integradas à estrutura de um item, ajudando a moldar a forma de um smartphone, carro ou prédio, ao mesmo tempo em que potencializa suas funções.
Tudo isso pode se tornar possível à medida que minha pesquisa e outras pessoas ajudem cientistas e engenheiros a se tornarem cada vez mais aptos a controlar e lidar com a matéria na escala de átomos individuais.
Materiais emergentes
Em sua maior parte, os avanços no armazenamento de energia dependerão do desenvolvimento contínuo da ciência de materiais, ampliando os limites de desempenho dos materiais de baterias existentes e desenvolvendo estruturas e composições de baterias totalmente novas.
A indústria de baterias já está trabalhando para reduzir o custo das baterias de íons de lítio, incluindo a remoção de cobalto caro de seus eletrodos positivos, chamados cátodos. Isso também reduziria o custo humano dessas baterias , porque muitas minas no Congo, a principal fonte mundial de cobalto, usam crianças para realizar trabalhos manuais difíceis .
Os pesquisadores também estão olhando para substituir os íons de lítio que lançam entre os dois eletrodos com íons e eletrólitos que podem ser mais baratos e potencialmente mais seguros, como aqueles baseados em sódio, magnésio, zinco ou alumínio.
Meu grupo de pesquisa analisa as possibilidades de usar materiais bidimensionais, essencialmente folhas extremamente finas de substâncias com propriedades eletrônicas úteis. O grafeno é talvez o mais conhecido deles - uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura. Queremos ver se o empilhamento de camadas de vários materiais bidimensionais e a infiltração da pilha com água ou outros líquidos condutores podem ser componentes-chave das baterias que se recarregam muito rapidamente.
Olhando dentro da bateria
Não são apenas novos materiais que estão expandindo o mundo da inovação em baterias: novos equipamentos e métodos também permitem que os pesquisadores vejam o que está acontecendo dentro das baterias com muito mais facilidade do que antes.
No passado, os pesquisadores usavam uma bateria por meio de um processo específico de descarga de carga durante vários ciclos e depois removiam o material da bateria e o examinavam após o fato. Só então os pesquisadores poderiam aprender quais mudanças químicas haviam ocorrido durante o processo e inferir como a bateria realmente funcionava e o que afetava seu desempenho.
Mas agora, os pesquisadores podem observar os materiais das baterias à medida que passam pelo processo de armazenamento de energia, analisando até mesmo sua estrutura atômica e composição em tempo real. Podemos usar técnicas sofisticadas de espectroscopia, como técnicas de raios X disponíveis com um tipo de acelerador de partículas chamado síncrotron - assim como microscópios eletrônicos e sondas de varredura - para observar os íons se movendo e as estruturas físicas mudarem conforme a energia é armazenada e liberada dos materiais. em uma bateria.
Esses métodos permitem que pesquisadores como eu imaginem novas estruturas de bateria e materiais, os façam e vejam como eles funcionam - ou não - bem. Dessa forma, poderemos continuar com a revolução dos materiais da bateria.
