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O futuro das nanobaterias: por que os nanofios de silício podem se tornar a nova estrela das baterias?
Nos últimos anos, o desenvolvimento da tecnologia de nanobaterias acompanhou o rápido crescimento da demanda global por soluções de armazenamento de energia, especialmente com o surgimento de veículos elétricos e energia renovável. As nanobaterias usam nanofios para aumentar a área de superfície dos eletrodos da bateria, um design que melhora significativamente a capacidade da bateria. Embora variantes de silício, tântalo e óxido de metal de transição para baterias de íons de lítio tenham sido propostas, elas ainda não foram comercializadas.
Essas novas baterias apresentam uma substituição para o eletrodo negativo de grafite tradicional e podem melhorar significativamente o desempenho da bateria.
Silício: O novo queridinho das baterias
Os materiais de silício são altamente considerados por sua tensão de descarga e capacidade de carga teórica ultra-alta, e podem ser uma escolha ideal para futuros eletrodos negativos de baterias de lítio. De acordo com a pesquisa, a capacidade teórica do silício é quase dez vezes maior que a do ânodo de grafite padrão usado atualmente na indústria. O formato do nanofio ajuda a melhorar ainda mais essas propriedades porque aumenta a área de superfície em contato com o eletrólito, aumentando assim a densidade de potência e permitindo carga e descarga mais rápidas.
Embora o silício possa se expandir em até 400% durante o carregamento e eventualmente precipitar, o design do nanofio pode efetivamente mitigar essa desvantagem.
O dano dos nanofios de silício se deve principalmente à mudança de volume durante o processo de carga, o que leva à formação de rachaduras e, por fim, se manifesta como perda de capacidade. No entanto, o pequeno diâmetro dos nanofios reduz efetivamente os danos causados por essa expansão, permitindo que eles sirvam como canais diretos para transporte de carga enquanto se conectam a coletores de corrente, em comparação com o movimento partícula por partícula necessário para eletrodos baseados em partículas. Transporte a eficiência é bastante melhorada.
O potencial do germânio
Outra vantagem dos nanofios de íons alemães é sua alta capacidade teórica e excelente desempenho no processo de inserção de lítio. Embora o tântalo também se expanda e se decomponha quando carregado, ele pode inserir lítio 400 vezes mais eficientemente do que o silício, tornando-o um material de eletrodo negativo mais atraente. Diz-se que os nanofios de íons alemães ainda podem manter uma capacidade de 900 mAh/g após 1.100 ciclos de carga e descarga.
Aplicações de óxidos de metais de transição
Óxidos de metais de transição (TMOs), como Cr2O3, Fe2O3, etc., têm muitas vantagens sobre os materiais de bateria tradicionais e são opções ecologicamente corretas e não tóxicas. A alta capacidade teórica de energia desses materiais os torna candidatos para baterias de íons de lítio. Pesquisas mostraram que nanofios feitos usando TMO têm grande potencial como eletrodos de bateria, e experimentos mostraram que eles podem fornecer saída de energia estável e longo ciclo de vida.
Por exemplo, as pesquisas mais recentes usando nanofios de PbO2 mostraram que ele pode manter uma capacidade estável de 190 mAh/g após 1.000 ciclos de carga e descarga, indicando que o material tem potencial para se tornar um excelente substituto para baterias de chumbo-ácido. .
Inovação em nanofios de ouro
Em 2016, uma equipe de pesquisa da Universidade da Califórnia, em Irvine, anunciou um novo material de nanofio que poderia suportar mais de 200.000 ciclos de carga sem qualquer quebra física. Espera-se que o advento dessa tecnologia promova o desenvolvimento de baterias de longa duração, de modo que as baterias de muitos produtos eletrônicos não precisem mais ser substituídas.
Olhando para o futuro
Embora muitos tipos de nanobaterias tenham demonstrado excelente desempenho, elas ainda enfrentam desafios como fragilidade e estabilidade do material. À medida que a pesquisa continua a se aprofundar, as nanobaterias podem ser comercializadas no futuro e mudar completamente nossa compreensão da tecnologia de baterias. Agora, à medida que a tecnologia de nanobaterias amadurece, devemos pensar em uma questão: as nanobaterias podem se tornar uma escolha comum em futuras soluções de armazenamento de energia?
