Na busca por armazenamento de energia sustentável, pesquisadores da Chalmers University of Technology apresentam um novo conceito para fabricar materiais de eletrodos de alto desempenho para baterias de sódio. Baseia-se em um novo tipo de grafeno para armazenar um dos íons metálicos mais comuns e baratos do mundo – o sódio. Os resultados mostram que a capacidade pode corresponder às baterias de íons de lítio atuais.
Embora os íons de lítio funcionem bem para armazenamento de energia, o lítio é um metal caro, com preocupações em relação ao fornecimento de longo prazo e questões ambientais.
O sódio, por outro lado, é um metal abundante de baixo custo e é um ingrediente importante na água do mar (e no sal de cozinha). Isso torna as baterias de íons de sódio uma alternativa interessante e sustentável para reduzir nossa necessidade de matérias-primas críticas. No entanto, um grande desafio é aumentar a capacidade.
No nível atual de desempenho, as baterias de íons de sódio não podem competir com as células de íons de lítio. Um fator limitante é o grafite, que é composto de camadas empilhadas de grafeno e usado como ânodo nas baterias de íons de lítio atuais.
Os íons se intercalam no grafite, o que significa que eles podem entrar e sair das camadas de grafeno e serem armazenados para uso de energia. Os íons de sódio são maiores que os íons de lítio e interagem de maneira diferente. Portanto, eles não podem ser armazenados de forma eficiente na estrutura de grafite. Mas os pesquisadores da Chalmers encontraram uma nova maneira de resolver isso.
“Adicionamos um espaçador molecular em um lado da camada de grafeno. Quando as camadas são empilhadas, a molécula cria um espaço maior entre as folhas de grafeno e fornece um ponto de interação, o que leva a uma capacidade significativamente maior”, diz o pesquisador Jinhua Sun, do Departamento de Ciência Industrial e de Materiais da Chalmers e primeiro autor do estudo científico, publicado na Science Advances.
Normalmente, a capacidade de intercalação de sódio em grafite padrão é de cerca de 35 miliamperes horas por grama (mA h g-1). Isso é menos de um décimo da capacidade de intercalação de íons de lítio em grafite. Com o novo grafeno, a capacidade específica de íons de sódio é de 332 miliamperes horas por grama – aproximando-se do valor do lítio no grafite. Os resultados também mostraram total reversibilidade e alta estabilidade de ciclagem.
“Foi muito emocionante quando observamos a intercalação de íons sódio com uma capacidade tão alta. A pesquisa ainda está em estágio inicial, mas os resultados são muito promissores. Isso mostra que é possível projetar camadas de grafeno em uma estrutura ordenada que se adapte aos íons de sódio, tornando-o comparável ao grafite”, diz o professor Aleksandar Matic, do Departamento de Física de Chalmers.
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O estudo foi iniciado por Vincenzo Palermo em seu cargo anterior como vice-diretor do Graphene Flagship, um projeto financiado pela Comissão Europeia e coordenado pela Chalmers University of Technology.
O novo grafeno tem funcionalização química assimétrica em faces opostas e, portanto, é frequentemente chamado de Janus graphene, em homenagem ao antigo deus romano de duas faces Janus – o deus dos novos começos, associado a portas e portões e os primeiros passos de uma jornada. Neste caso, o grafeno Janus se correlaciona bem com a mitologia romana, potencialmente abrindo portas para baterias de íons de sódio de alta capacidade.
“Nosso material Janus ainda está longe de aplicações industriais, mas os novos resultados mostram que podemos projetar as folhas ultrafinas de grafeno – e o pequeno espaço entre elas – para armazenamento de energia de alta capacidade. Estamos muito felizes em apresentar um conceito com metais econômicos, abundantes e sustentáveis”, diz Vincenzo Palermo, Professor Afiliado do Departamento de Ciência Industrial e de Materiais da Chalmers.
