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O mercado de veículos elétricos tem experimentado um crescimento explosivo, com vendas globais ultrapassando US$ 1 trilhão (aproximadamente KRW 1.283 trilhões) em 2022 e vendas domésticas superiores a 108.000 unidades. Inevitavelmente, a demanda está crescendo para baterias de alta capacidade que podem estender a autonomia de direção EV. Recentemente, uma equipe conjunta de pesquisadores da POSTECH e da Sogang University desenvolveu um aglutinante polimérico funcional para material de ânodo estável e de alta capacidade que poderia aumentar a faixa de EV atual em pelo menos 10 vezes.
Uma equipe de pesquisa liderada pelos professores da POSTECH Soojin Park (Departamento de Química) e Youn Soo Kim (Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais) e o Professor Jaegeon Ryu (Departamento de Engenharia Química e Biomolecular) da Universidade de Sogang desenvolveram um aglutinante polimérico carregado para um aglutinante de alta capacidade material do ânodo que é estável e confiável, oferecendo uma capacidade 10 vezes maior que a dos ânodos convencionais de grafite. Esse avanço foi alcançado substituindo o grafite por ânodo de Si combinado com polímeros carregados em camadas, mantendo a estabilidade e a confiabilidade. Os resultados da pesquisa foram publicados como o artigo de capa frontal em Materiais funcionais avançados.
Materiais de ânodo de alta capacidade, como o silício, são essenciais para a criação de baterias de íon-lítio de alta densidade de energia; eles podem oferecer pelo menos 10 vezes a capacidade de grafite ou outros materiais anódicos agora disponíveis. O desafio aqui é que a expansão de volume de materiais de ânodo de alta capacidade durante a reação com lítio representa uma ameaça ao desempenho e estabilidade da bateria. Para mitigar esse problema, os pesquisadores têm investigado aglutinantes poliméricos que podem efetivamente controlar a expansão volumétrica.
No entanto, a pesquisa até o momento se concentrou apenas na reticulação química e na ligação de hidrogênio. A reticulação química envolve a ligação covalente entre as moléculas do aglutinante, tornando-as sólidas, mas tem uma falha fatal: uma vez quebradas, as ligações não podem ser restauradas. Por outro lado, a ligação de hidrogênio é uma ligação secundária reversível entre moléculas baseada em diferenças de eletronegatividade, mas sua força (10-65 kJ/mol) é relativamente fraca.
O novo polímero desenvolvido pela equipe de pesquisa não apenas utiliza ligações de hidrogênio, mas também tira proveito das forças coulômbicas (atração entre cargas positivas e negativas). Essas forças têm uma força de 250 kJ/mol, muito maior do que a ligação de hidrogênio, mas são reversíveis, facilitando o controle da expansão volumétrica. A superfície dos materiais de ânodo de alta capacidade é principalmente carregada negativamente, e os polímeros carregados em camadas são dispostos alternadamente com cargas positivas e negativas para se ligarem efetivamente ao ânodo. Além disso, a equipe introduziu o polietileno glicol para regular as propriedades físicas e facilitar a difusão de íons de lítio, resultando no eletrodo espesso de alta capacidade e na densidade máxima de energia encontrada nas baterias de íons de lítio.
O professor Soojin Park explicou: “A pesquisa tem o potencial de aumentar significativamente a densidade de energia das baterias de íon-lítio por meio da incorporação de materiais de ânodo de alta capacidade, estendendo assim a autonomia de veículos elétricos. Materiais de ânodo à base de silício podem potencialmente aumentar a direção intervalo de pelo menos dez vezes.”
Este estudo foi realizado com o apoio do Ministério da Ciência e TIC, do Programa de Desenvolvimento de Tecnologia de Nanomateriais e do Laboratório Nacional de Pesquisa para Tecnologia Futura da Coréia.
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