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A mudança climática é uma grande preocupação global do presente século. É necessário reduzir as emissões de carbono utilizando fontes de energia renováveis e desenvolvendo sistemas eficientes de armazenamento de energia. As baterias de íons de lítio têm alta densidade de energia e um longo ciclo de vida, tornando-as indispensáveis em eletrônicos portáteis e veículos elétricos. No entanto, o alto custo e o suprimento limitado de lítio exigem o desenvolvimento de sistemas alternativos de armazenamento de energia. Para este fim, os pesquisadores sugeriram baterias de íons de sódio (SIBs) como um possível candidato.
Além de ter propriedades físico-químicas semelhantes às do lítio, o sódio é sustentável e econômico. No entanto, seus íons são grandes com cinética de difusão lenta, dificultando sua acomodação dentro das microestruturas de carbono dos ânodos de grafite comercializados. Consequentemente, os ânodos SIB sofrem de instabilidade estrutural e baixo desempenho de armazenamento. Nesse sentido, materiais carbonáceos dopados com heteroátomos estão se mostrando promissores. No entanto, sua preparação é complicada, cara e demorada.
Recentemente, uma equipe de pesquisadores, liderada pelo professor Seung Geol Lee, da Pusan National University, na Coréia, usou quinacridonas como precursores para preparar ânodos SIB carbonáceos. “Os pigmentos orgânicos, como as quinacridonas, têm uma variedade de estruturas e grupos funcionais. Como resultado, eles desenvolvem diferentes comportamentos e microestruturas de decomposição térmica. Quando usados como precursores para materiais de armazenamento de energia, os quinacridonas pirolisados podem variar muito o desempenho das baterias secundárias. Portanto , é possível implementar uma bateria altamente eficiente controlando a estrutura do precursor de pigmentos orgânicos”, explica o Prof. Lee. Seu estudo foi disponibilizado online em 17 de outubro de 2022 e será publicado no Volume 453, Parte 1 do Chemical Engineering Journal em 1º de fevereiro de 2023.
Os pesquisadores se concentraram na 2,9-dimetilquinacridona (2,9-DMQA) em seu estudo. 2,9-DMQA tem uma configuração de empacotamento molecular paralelo. Após a pirólise (decomposição térmica) a 600°C, o 2,9-DMQA mudou de avermelhado para preto com um alto rendimento de carvão de 61%. Em seguida, os pesquisadores realizaram uma análise experimental abrangente para descrever o mecanismo de pirólise subjacente.
Eles propuseram que a decomposição de substituintes metílicos gera radicais livres a 450°C, que formam hidrocarbonetos aromáticos policíclicos com uma microestrutura desenvolvida longitudinalmente resultante de pontes de ligação ao longo da direção de empacotamento paralela. Além disso, os grupos funcionais contendo nitrogênio e oxigênio no 2,9-DMQA liberaram gases, criando domínios desordenados na microestrutura. Em contraste, a quinacridona não substituída pirolisada desenvolveu estruturas altamente agregadas. Isso sugeriu que o desenvolvimento morfológico foi significativamente afetado pela orientação cristalina do precursor.
Além disso, 2,9-DMQA pirolisado a 600°C exibiu uma capacidade de alta taxa (290 mAh/g a 0,05 A/g) e excelente estabilidade de ciclo (134 mAh/g a 5 A/g para 1000 ciclos) como um SIB ânodo. Os grupos contendo nitrogênio e oxigênio aumentaram ainda mais o armazenamento da bateria por meio do confinamento da superfície e do incremento da distância entre as camadas.
“Pigmentos orgânicos como quinacridonas podem ser usados como materiais de ânodo em baterias de íons de sódio. Dada a alta eficiência, eles fornecerão uma estratégia eficaz para produção em massa de sistemas de armazenamento de energia em larga escala”, conclui o Prof. Lee.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade Nacional de Pusan. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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