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As baterias de íons de lítio são a força motriz da eletrônica moderna e as células de combustível são candidatas promissoras para dispositivos de energia sustentável. Um factor importante que afecta o desempenho das baterias de iões de lítio e das células de combustível é a dispersibilidade das pastas de carbono, suspensões feitas de partículas condutoras de carbono dispersas num solvente. Eles podem ser facilmente revestidos em um coletor de metal para produzir eletrodos em massa. Mas as partículas de carbono na lama devem ser dispersas homogeneamente para garantir um desempenho confiável da bateria.
No entanto, avaliar a dispersibilidade de pastas espessas com altas concentrações de partículas é extremamente difícil. O grande número de partículas impede a observação da estrutura interna das pastas usando técnicas espectroscópicas diretas. Além disso, não existem métodos para avaliar a dispersibilidade e as propriedades condutoras das pastas em resposta à tensão de cisalhamento aplicada durante o processo de revestimento.
Neste contexto, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Isao Shitanda, da Universidade de Ciências de Tóquio (TUS), no Japão, desenvolveu uma nova técnica para estimar a dispersibilidade de pastas de carbono. Seu último estudo, publicado on-line em Materiais Eletrônicos Aplicados ACS em 1º de agosto de 2023, é de coautoria do Dr. Yoshifumi Yamagata da Anton Paar Japan KK e do Dr.
Os pesquisadores combinaram um reômetro – um instrumento científico para medir o comportamento de fluxo/deformação de fluidos em resposta ao estresse aplicado – com uma configuração de espectroscopia para medir a impedância eletroquímica de pastas de negro de acetileno com metilcelulose (um composto derivado de celulose usado como espessante e emulsificante em alimentos e produtos cosméticos, como laxante formador de volume e como colírio/ouvido) como dispersante. Eles conduziram experimentos sob a influência da tensão de cisalhamento em várias frequências para obter os espectros de reoimpedância, que fornecem informações sobre a estrutura interna das partículas de carbono em uma pasta. Curiosamente, eles notaram que os espectros de impedância não mudaram consideravelmente sob tensão de cisalhamento aplicada para uma pasta de carbono com boa dispersibilidade.
Além disso, a equipe desenvolveu um modelo de circuito equivalente que consiste em três tipos de resistências e capacitâncias de contato: aquelas entre partículas negras de acetileno, aquelas do volume das partículas e aquelas decorrentes do projeto da configuração de medição. A resistência aparente do negro de acetileno não mostrou dependência da taxa de cisalhamento, mas diminuiu com o aumento da concentração de metilcelulose. Além disso, a resistência medida em cada concentração de metilcelulose aumentou com a taxa de cisalhamento, uma observação que foi atribuída a uma quebra parcial da rede carbono-carbono e à diminuição da condutividade com o aumento da taxa de cisalhamento.
Juntos, esses resultados mostram que é possível avaliar a dispersibilidade de pastas de eletrodos com base em uma combinação de medições de viscosidade (medida com o reômetro) e impedância eletroquímica. Entusiasmado com o potencial de sua nova metodologia, o Dr. Shitanda comenta: “Os insights deste estudo podem ser úteis para melhorar a eficiência dos processos de fabricação de eletrodos em grande escala, nos quais a estrutura interna da pasta deve ser cuidadosamente controlada.”
A preparação de pastas com maior dispersibilidade também pode levar a um melhor desempenho da bateria de íons de lítio e a materiais funcionais aprimorados. Estas seriam contribuições significativas para a construção de uma sociedade sustentável e neutra em carbono, promovendo aplicações em painéis solares, células de combustível e veículos eléctricos.
“O método proposto pode ser usado para avaliar a dispersibilidade não apenas de dispersões de carbono, mas de uma ampla variedade de pastas. Em estudos futuros, planejamos realizar medições adicionais e verificações de circuitos equivalentes, alterando o tipo de partícula e as combinações de ligantes”, conclui o Dr. .Merda.
Esperemos que este estudo nos permita produzir pastas mais otimizadas, abrindo caminho para tecnologias mais sustentáveis para a próxima geração de eletrônicos, veículos elétricos e dispositivos de armazenamento de energia!
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