Baterias do futuro: uma análise do funcionamento de um material promissor
2020-07-16
Alexander Tselev em colaboração com Universidades Americanas e Chinesas explora estrutura do MXene e publica avanços na revista Energy & Environmental Science deste mês.

Com a tecnologia atual e as tendências do mercado consumidor existe uma grande demanda por armazenamento de energia cada vez mais portátil, rápido e capaz, sendo esta necessidade preenchida atualmente e no futuro próximo por baterias eletroquímicas recarregáveis. Com a participação do Departamento de Física e do CICECO-Instituto de Materiais de Aveiro uma equipa de investigadores deu mais um passo em direção ao futuro.

Em 2011, na Universidade de Drexel, nos Estados Unidos da América, foi descoberta uma nova família de nanomateriais, o MXene, que possui o potencial para criar baterias de alta capacidade de armazenamento, com um carregamento ultra rápido e que podem potencialmente ter uma vida útil 20 vezes mais do que uma célula convencional de iões de lítio.

Na escala atómica, o MXenes consiste em várias camadas finas separadas por espaços muito reduzidos (quase em 2D), que são os locais que acomodam iões (as partículas que transportam as transformações de energia nas baterias) e os liberam quando necessário. A estrutura exclusiva do MXene permite armazenar um número significativamente maior de íons no mesmo volume, em comparação com os materiais usados nas baterias convencionais, mas os mecanismos exatos são ainda um mistério, com várias incógnitas sobre a "vida" do material na escala atómica.

Num artigo publicado este mês na revista Energy & Environmental Science, a equipa de co-autores, que conta com a participação do Investigador do Departamento de Física e do CICECO-Instituto de Materiais de Aveiro da Universidade de Aveiro, Alexander Tselev, explorou como diferentes iões penetram na estrutura do MXene e residem lá e como a água do eletrólito, transportando os íons, se adapta ao espaço reduzido entre as camadas do MXene.

A equipa de investigadores liderada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge (EUA), com a participação da Universidade de Drexel (EUA), da Universidade Tulane (EUA), da Universidade do Estado da Geórgia (EUA), da Universidade do Sudoeste (China) e da Universidade de Aveiro (Portugal), analisou simultaneamente diferentes aspectos dos processos no MXene com a ajuda de um conjunto de métodos experimentais sensíveis e simulações em computador na escala atómica. O trabalho fornece informações muito importantes para compreensão dos recursos impressionantes do MXene, abrindo novas portas para a engenharia e para os dispositivos que os utilizam.

"Este é um ótimo exemplo de uma cooperação muito bem-sucedida de cientistas, que desenvolvendo separadamente diferentes técnicas experimentais e numéricas inovadoras, se reúnem e focam em um problema", diz Alexander Tselev, co-autor do artigo, que contribuiu para o desenvolvimento de um método de microscopia que permite a visualização da distribuição de íons nas camadas sub-superficiais do MXene com uma resolução espacial muito alta de cerca de 10 nm (1 nm é um milionésimo milímetro) diretamente em eletrólitos líquidos, uma capacidade importante antes indisponível.

O artigo foi publicado na revista top 1% (JCR 2019) Energy & Environmental Science deste mês:

Q. Gao, W. Sun, P. Ilani-Kashkouli, A. Tselev, P. Kent, N. Kabengi, M. Naguib, M. Alhabeb , WY Tsai, A.P. Baddorf, J. Huang, S. Jesse, Y. Gogotsi e N. Balke, rastreando a intercalação de íons em filmes Ti3C2 MXene em camadas em escalas de comprimento, Energy & Environmental Science (2020). DOI: 10.1039/D0EE01580F

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