Baterias e tecnologia de grafeno totalmente explicadas

Materiais de bateria desenvolvidos pelo Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) do Departamento de Energia e Vorbeck Materials Corp. de Jessup, Md., estão permitindo que ferramentas elétricas e outros dispositivos que usam baterias de íon-lítio recarreguemem apenas alguns minutos em vez de horas. Além disso, a tecnologia de bateria de grafeno promete maior capacidade por meio do uso de ânodos de silício em vez de carbono para novas soluções de bateria de íon-lítio.

Além disso, vários fabricantes, como a Positec (que fabrica Worx, Rockwell e Kress), já usam alguma tecnologia de bateria de grafeno em ferramentas elétricas portáteis selecionadas.

O grafeno existe como uma única camada de átomos de carbono. Esses átomos estão dispostos em um padrão hexagonal organizado. O grafeno vive quase como um material "bidimensional" com algumas propriedades físicas e químicas únicas que lhe conferem várias vantagens, incluindo alta condutividade elétrica, excelente resistência mecânica e alta condutividade térmica.

Na verdade, o grafeno é 100 vezes mais eficaz na condução de eletricidade do que o cobre! Ele também passa elétrons até 140X mais rápido que o silício. É isso que torna o material de grafeno tão importante para descobrir como carregar as baterias mais rapidamente.

Fabricantes (e cientistas) consideram o grafeno um material promissor para uma ampla gama de aplicações. Com base na pesquisa e em como o vemos sendo usado hoje, ele pode desempenhar um papel muito importante na eletrônica, no armazenamento de energia e nos compósitos. Dadas as propriedades únicas do grafeno, ele realmente tem o potencial de revolucionar o armazenamento de energia e a densidade de energia disponível nas melhores ferramentas elétricas.

A invenção das baterias de grafeno começou com a descoberta de como adquirir grafeno na forma de um único átomo. Isso geralmente é atribuído a uma equipe de pesquisadores da Universidade de Manchester, no Reino Unido. A equipe, liderada pelos vencedores do Prêmio Nobel Sir Andre Geim e pelo físico russo-britânico Konstantin Novoselov descobriu alguns atributos interessantes do grafeno em 2004.

Durante um dos "experimentos de sexta à noite" semanais de Andre e Kostya, os dois cientistas usaram fita adesiva para remover alguns flocos de um pedaço de grafite a granel. Percebendo que alguns flocos eram mais finos que outros, eles continuaram experimentando. Ao separar repetidamente os fragmentos de grafite, eles acabaram criando flocos medindo apenas um átomo de espessura! Este experimento levou ao isolamento da primeira instância de grafeno.

A Vorbeck Materials Corp. colaborou com Ilhan Aksay, professor de engenharia química e biológica na Universidade de Princeton. O Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) demonstrou que pequenas quantidades de grafeno – uma folha ultrafina de átomos de carbono – podem melhorar drasticamente a potência e a estabilidade do ciclo das baterias de íon-lítio. Além disso, ele pode fazer isso enquanto mantém uma alta capacidade de armazenamento de energia.

Em 2016, a Dongxu Optoelectronic Technology, com sede em Pequim, lançou sua bateria G-King de 4800 mAh. Esta bateria estilo laptop recarregou em menos de 15 minutos e suportou até 3.500 ciclos.

Em 2017, o Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) anunciou sua "bola de grafeno". Este material de bateria exclusivo mostrou um aumento de 45% na capacidade de armazenamento, juntamente com velocidades de carregamento de até 5X de uma bateria de íon de lítio padrão.

A nova tecnologia promete enormes vantagens para dispositivos móveis, bem como EVs. O mercado de veículos elétricos faz bastante sentido quando você percebe que a bola de grafeno pode manter uma temperatura estável de 60 graus Celsius.

A Samsung foi pioneira em métodos de sintetizar grafeno em uma forma 3D e, em seguida, aplicá-lo às baterias. Ele fez isso usando sílica acessível (SiO2). Eles aplicaram essa "bola de grafeno" tanto na camada protetora do ânodo quanto nos materiais do cátodo em baterias de íon-lítio.

As baterias de íon de lítio padrão continuam a crescer em densidade de energia, mas não deram saltos monumentais na redução do tempo de carga. As baterias de grafeno vêm com duas grandes vantagens sobre o padrão de íons de lítio:

A maneira como funciona é simples - pelo menos em teoria. O uso de baterias à base de grafeno é uma direção completamente nova. Faz com que as células da bateria carreguem mais rapidamente. As baterias de íons de lítio funcionam transferindo íons de lítio entre um cátodo e um ânodo usando um eletrólito líquido. Isso leva um certo tempo, especialmente durante a fase de recarga.