Notícia

Vamos Por Aqui

Baterias de Lítio, melhoradas com nanotubos de carbono

Publicado em 27 novembro 2019

Por Luis Ferreira

O ponto de situação deste assunto, em 2010, era este:

Agência FAPESP – Um dos maiores problemas para a popularização dos automóveis elétricos é o desenvolvimento de baterias mais eficientes e de menores tamanho e custo. Um grupo de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, acaba de encontrar uma possível de solução, com base na nanotecnologia.

Os pesquisadores verificaram que usar nanotubos de carbono como eletrodos em uma bateria de íons de lítio levou a um aumento muito expressivo – de até dez vezes – na capacidade energética de uma bateria do tipo usada atualmente.

O estudo foi publicado neste domingo (20/6) na revista Nature Nanotechnology. De acordo com os autores, os nanoeletrodos podem ter muitas aplicações, inicialmente em pequenos aparelhos e, futuramente, em produtos que exigem maior quantidade de energia armazenada para funcionar, como automóveis.

Para produzir o novo material, o grupo do MIT usou um método de fabricação por camadas, no qual o material utilizado como base foi mergulhado seguidamente em soluções contendo nanotubos de carbono tratados com compostos orgânicos simples que produzem cargas positivas ou negativas.

Quando as camadas são alternadas na superfície, elas se unem fortemente, por causa das cargas complementares, levando à produção de um filme estável e durável.

Baterias como as de íons de lítio, muito comuns em eletrônicos portáteis, são feitas de três componentes básicos: dois eletrodos (o negativo ânodo e o positivo cátodo) separados por um eletrólito (um material condutivo por meio do qual partículas carregadas – os íons – podem se mover facilmente).

Quando essas baterias estão em uso, íons de lítio carregados positivamente se deslocam pelo eletrólito em direção ao cátodo, produzindo uma corrente elétrica. Quando são recarregadas, uma corrente externa faz com que esses íons se movam na direção oposta e ocupem os espaços no material poroso do ânodo.

No novo eletrodo, nanotubos de carbono – folhas de átomos de carbono enroladas em tubos com bilionésimos de metro – se uniram fortemente em uma estrutura porosa. Os nanotubos também podem armazenar na sua superfície grande quantidade de íons de lítio, o que faz com que as estruturas possam atuar como eletrodos positivos em baterias.

“Esse processo de automontagem eletrostática é importante porque, geralmente, nanotubos de carbono em uma superfície tendem a grudar uns nos outros em espécies de pacotes, diminuindo a superfície total onde podem ocorrer as reações”, disse Paula Hammond, professora de química do MIT e um dos autores do estudo.

Ao incorporar moléculas orgânicas nos nanotubos, os pesquisadores conseguiram reuni-los em uma forma com alto grau de porosidade, mesmo com um grande número de nanotubos.

Além da maior potência de saída, os eletrodos feitos de nanotubos de carbono apresentaram elevada estabilidade. Após 1 mil ciclos de carga e descarga para testar as baterias, não houve, segundo o estudo, mudança observável na performance do material.

O artigo High-power lithium batteries from functionalized carbon nanotube electrodes (doi: 10.1038/nnano.2010.116), de Paula Hammond e outros, pode ser lido por assinantes da Nature em www.nature.com/nano.

Este texto foi originalmente publicado por Agência FAPESP de acordo com a licença Creative Commons CC-BY-NC-ND. Leia o original aqui.

Situação atual - 2018:

nanotubos de carbono

Aposto que provavelmente você nunca ouviu falar neles. A pesquisa em materiais, de certa forma, não salta tanto aos olhos da mídia como outros ramos da física, apesar da sua enorme relevância e de diversas pesquisas com alto potencial de aplicação em tecnologia sendo realizadas nesta área. Hoje, apresento de forma breve estes microscópicos materiais, porém fortes candidatos a causar um impacto gigante na tecnologia nos próximos anos.

A pesquisa neste campo começou na época das grandes contribuições de Mildred Dresselhaus e outros cientistas, também conhecida popularmente como a “Rainha do carbono” – a primeira professora a ocupar o maior cargo do prestigioso Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) – sendo uma delas a primeira previsão da estrutura de banda – uma característica crucial para se entender as propriedades eletrônicas de materiais – dos nanotubos realizada através de um modelo atribuído a ela e a outros três cientistas (modelo SFDD) [1]. Sua produção foi bem extensa, contando com mil e setecentos trabalhos no assunto e coautoria em oito livros, pelos quais recebeu diversos prêmios [2] durante sua carreira. Ela também participou ativamente na defesa e expansão de oportunidades para mulheres na ciência e nas engenharias.

Mas como são formados estes materiais?

Existem diversas técnicas de síntese dos nanotubos [3], como o método de descarga de corrente através da matéria prima, remoção por laser de camadas e deposição por vapor do material, com a maioria destes ocorrendo em vácuo de forma a evitar contaminação por impurezas. Olhando-os bem de perto, é possível perceber o padrão hexagonal de ligação dos átomos de carbono, que se unem para formar uma ou mais camadas em forma de cilindro, como abaixo. Estes materiais são parte da família dos fulerenos, que renderam uma ampla gama de pesquisas no início dos anos 2000 por suas propriedades aplicáveis a nanotecnologia e aos estudos de resistência ao calor e supercondutividade. Também existem outras formas geométricas para os nanotubos, como toros e pilhas em forma de cuia.

Propriedades notáveis dos nanotubos

Estes pequenos tubos são conhecidos principalmente por sua resistência à torção e flexibilidade, pela maior razão de comprimento por diâmetro dentre qualquer outro material e dureza (152 Gpa) maior que a dos diamantes, popularmente tidos como os materiais mais duros encontrados na natureza, além da ótima condutividade térmica e elétrica, atribuídas a estrutura do grafeno. Nesta última, há o aparecimento do comportamento metálico ou semicondutor dos nanotubos dependendo de sua síntese, algo estranho ao lembrar que estes são formados por átomos de ametais.

Aplicações

Como comentado anteriormente, esta é uma área de pesquisa de grande crescimento e potencial, com diversos resultados surgindo em volume todos os anos e indicando melhorias para ramos de impacto da tecnologia.

Dentre elas, uma pesquisa publicada no departamento de engenharia mecânica e aeronáutica da UCSD mostrou que algumas modificações de propriedades atômicas destes materiais podem ajudar no desenvolvimento de supercapacitores [4]. Lembrando que capacitores são componentes de circuitos elétricos capazes de armazenar carga elétrica, esta descoberta pode levar ao desenvolvimento de baterias extremamente eficientes – inclusive para o seu celular – num futuro próximo.

Outra aplicação interessante foi a criação de um chip de computador feito inteiramente com transistores – os responsáveis por ampliação e interrupção de sinais elétricos dentro de circuitos, estes depois sendo decodificados pelo sistema operacional – formados por nanotubos na universidade de Stanford. Por serem pequenos, esta aplicação permite a criação de chips bem menores que os atuais, o que abre uma gama de possibilidades para o avanço da nanotecnologia.

Além destas aplicações, é possível utilizar estes materiais para a construção de painéis solares de alta eficiência, substituindo os convencionais feitos de silício, na aplicação de medicamentos de combate a tumores e em exames com imagem, em detectores ópticos resistentes a alta luminosidade e na fabricação de tecidos e ligas para engenharia, dentre tantas outras saídas tecnológicas.