A Menor Bateria do Mundo

Confira nesse artigo a tecnologia desenvolvida no centro de nanotecnologia CINT pelo Sandia National Laboratories.

Jianyu Huang; Tradução: Eutíquio Lopez

Uma versão experimental da menor bateria do mundo – seu anodo é um único nanofio com espessura igual a 1/7000 de um fio de cabelo - acaba de ser criada por uma equipe liderada pelo pesquisador Jianyu Huang, do Sandia National Laboratories.

Para um estudo melhor das características do anodo, a minúscula bateria recarregável de lítio foi formada no interior de um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) do CINT – Center of Integrated Nano-technologies, um departamento de pesquisas de Energia utilizado conjuntamente pelos laboratórios Sandia e Los Alamos.

A respeito do trabalho, Huang reportou ao jornal Science, de 10/12/2010, o seguinte: “Este experimento nos permite estudar a carga e descarga de uma bateria em tempo real e numa resolução em escala atômica, aumentando desse modo nosso conhecimento dos mecanismos básicos de funcionamento desse dispositivo”.

Em virtude dos materiais de base do nanofio nas baterias de Li-Íon possuírem potencial para melhorias significativas na potência e densidade de energia em relação aos eletrodos volumosos, investigações mais estritas de suas propriedades de operação poderiam melhorar as novas gerações de “plug-ins” para veículos elétricos híbridos, laptops e celulares.

O que incentivou nosso trabalho, continua Huang, “é que as LIBs – Baterias de Li-Íon têm aplicações muito importantes, mas as suas baixas densidades de energia e potência atuais impedem de atender à demanda. Para melhorar sua performance, nós quisemos entendê-las de forma completa e imaginamos que uma experiência “in-situ TEM” poderia acrescentar novas ideias ao problema.

Grupos de pesquisas de baterias usam normalmente nanomateriais como anodos, mas em quantidade e não individualmente – um processo, diz Huang, que se assemelha a “olhar uma floresta e tentar entender o comportamento de uma árvore individual”. A minúscula bateria criada por Huang e seus colaboradores consiste de um anodo de nanofio de óxido de estanho com 100 nm de diâmetro e 10 µm de comprimento, um catodo de óxido de Li-Co com 3,0 mm de comprimento, e um eletrólito líquido iônico.

O dispositivo oferece a capacidade de observar diretamente alterações na estrutura atômica durante a carga e descarga das “árvores” individuais. Um inesperado achado dos pesquisadores revelou que a haste do nanofio de óxido de Sn dobra de comprimento (aproximadamente) durante a carga – seu diâmetro também aumenta, mas não tanto – um fato que poderia ajudar a evitar curto-circuitos que diminuem o tempo de vida da bateria. “Os fabricantes deveriam levar em conta esse alongamento para os seus projetos de bateria”, disse Huang. (A convicção geral (errada) dos técnicos de campo é que as baterias “incham” ao longo de seu diâmetro, e não longitudinalmente).
A equipe de Huang descobriu essa falha ao seguir como se dava a progressão dos íons de lítio transportados ao longo do nanofio, criando o que os pesquisadores chamaram de “Medusa front” - uma área onde a alta densidade de deslocamentos provoca no nanofio torções e meneios. A teia de deslocamentos é causada pela penetração do lítio da rede cristalina.“Essas observações provam que os nanofios podem suportar um grande estresse (> 10 GPa) induzido pela “lithiation”, sem romper - se, indicando que eles são candidatos excelentes para eletrodos de bateria”, falou ainda o Sr. Huang.

“Nossas observações – as quais, nos surpreenderam inicialmente – mostram aos pesquisadores de baterias como são gerados esses deslocamentos, como eles evoluem durante a carga, e oferecem uma orientação de como aliviá-los”, acrescentou Huang. Essa é a visão mais próxima do que acontece durante o processo de carga da nanobateria, que se conseguiu até agora.

Expansão de volume induzida por “lithiation”, plasticidade e pulverização dos materiais de eletrodo são os principais defeitos mecânicos que afetam o desempenho e a vida útil das baterias de Li-Íon, comentou Huang. “Então, nossas observações a respeito da cinética estrutural e amorfização (alteração da estrutura cristalina normal) têm importantes implicações para o projeto de baterias de alta energia e para a diminuição de suas falhas”.

O nível de ruído eletrônico gerado pelo sistema de medidas dos pesquisadores foi muito alto para poder medir as correntes elétricas, mas John Sullivan – coautor Sandia – estimou a corrente de 1,0 picoampère circulando pelo nanofio durante o processo de carga e descarga. O nanofio foi alimentado por uma tensão próxima de 3,5 volts, segundo afirmou Huang. Um pA corresponde a um milionésimo de µA. Um µA é igual a um milionésimo de 1 ampère.

O motivo pelo qual, o exame em escala atômica do processo carga - descarga de um simples nanofio não ter sido possível, deve-se a que é muito difícil empregar um eletrólito líquido em ambiente de alto vácuo como no microscópio TEM. Uma parte das realizações da equipe de Huang é a demonstração de que o líquido iônico – sal liquefeito, em essência – poderia funcionar numa experiência de vácuo. Embora o trabalho tenha sido realizado usando-se nanofios de óxido de estanho (Sn O2), as experiências podem ser estendidas a outros materiais, tanto para estudos de anodos quanto de catodos , comentou Huang.

“ A metodologia que nós desenvolvemos poderia estimular estudos em tempo real mais extensivos sobre os processos microscópicos em baterias, e conduzir a um conhecimento mais amplo dos mecanismos que controlam a performance e confiabilidade desses dispositivos”, lembrou ele. Nossos experimentos sugerem também uma fundação para estudos “in-situ” de reações eletroquímicas, os quais terão um grande impacto no campo de pesquisas como: armazenamento de energia, corrosão, eletrodeposição, e síntese química geral. Outros pesquisadores que contribuiram neste trabalho: Xiao Hua Liu, Nicholas Hudak, Arunkumar Subramanian, e Hong You Fan – todos do Sandia; Li Zhong, Scott Mao, e Li Qiang Zhang (University of Pittsburgh); Chong Min Wang e Wu Xu (Pacifc Northwest National Laboratory); e Liang Qi, Akihiro Kushima e Ju Li (University of Pennsylvania).

O financiamento das pesquisas veio do Sandia National Laboratories através do “Center for Integrated Nanotechnologies” e do Programa “Energy Frontier Research Centers”.

SABER ELETRÔNICA ONLINE - nº451