Silício multiplica por dez capacidade das baterias de lítio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/11/2010

Poros minúsculos na superfície do silício dão ao material espaço suficiente para que ele se expanda e contraia sem se tornar quebradiço.
[Imagem: Biswal Lab/Rice University]

Carbono versus silício

As baterias de íons de lítio, usadas em celulares e notebooks, possuem um eletrodo negativo, ou anodo, feito de um material à base de carbono .

O carbono é necessário para acomodar os íons de lítio que se separam na reação que gera a corrente que sai da bateria. Esses íons depois voltam à bateria, durante o processo de recarregamento.

Ou seja, a capacidade de uma bateria de lítio é grandemente determinada pela capacidade do carbono em acomodar os íons.

Ocorre que o silício consegue acomodar 10 vezes mais íons de lítio do que o carbono. Então, por que não usar o silício e resolver de vez o grande gargalo para a disseminação dos carros elétricos?

A razão é simples: depois de uns poucos ciclos de carga e recarga, o silício se esfarela e a bateria vai para o beleléu.

Espaço para expansão

Agora, cientistas da Universidade Rice, nos Estados Unidos, em um projeto conjunto com a empresa Lockheed Martin, descobriram uma forma de aumentar a vida útil dos anodos de silício.

Outros cientistas vêm tentando usar nanofios de silício para aumentar a capacidade das baterias de lítio, mas Lisa Biswal e seus colegas adotaram uma estratégia diferente.

Eles descobriram que basta perfurar poros minúsculos, na faixa dos micrômetros, na superfície do silício, o que dá ao material espaço suficiente para que ele se expanda e contraia sem se tornar quebradiço.

Enquanto uma bateria comum de íons de lítio - onde "comum" deve ser entendido como as melhores baterias disponíveis hoje no mercado - comporta cerca de 300 miliamperes/hora por grama de anodo de carbono, os cientistas verificaram que um anodo feito com o silício tratado pode armazenar mais de 3.000 miliamperes/hora por grama.

"Nossas baterias atuais aguentam de 200 a 250 ciclos, muito mais do que as baterias de nanofios," diz Biswal.
[Imagem: Biswal Lab/Rice University]

O grupo argumenta que a criação dos nanoporos é mais simples do que a fabricação dos nanofios.

Nanoporos

Os poros, com 1 micrômetro de diâmetro e entre 10 e 50 micrômetros de profundidade, são perfurados quando cargas positivas e negativas são aplicadas aos dois lados da pastilha de silício, que é então mergulhada em um solvente hidrofluórico.

"Os átomos de hidrogênio e flúor se separam," explica Biswal. "O flúor ataca um dos lados do silício, formando os poros. Eles se formam verticalmente por causa da diferença de potencial."

O resultado é uma pastilha parecida com um queijo suíço. E um queijo onde as dimensões dos buracos são realmente essenciais: se eles forem grandes demais, haverá menos silício para absorver os íons de lítio; e se eles forem pequenos demais, o material não terá espaço para se expandir e voltará a se tornar quebradiço.

Outra vantagem em relação às baterias de nanofios de silício é a vida útil: "Nossas baterias atuais aguentam de 200 a 250 ciclos, muito mais do que as baterias de nanofios," diz Biswal.

Ainda é menos do que os 1.000 ciclos considerados necessários para que uma bateria se torne comercialmente viável. Por outro lado, isso pode se mostrar relativo para uma bateria que consiga armazenar 10 vezes mais energia.

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