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Baterias de grafeno: visão geral do mercado e introdução

Número Browse:0     Autor:editor do site     Publicar Time: 2020-06-24      Origem:alimentado

Baterias de grafeno: visão geral do mercado e introdução

Grafeno e baterias


O grafeno, uma folha de átomos de carbono unido em um padrão de treliça de favo de mel, é amplamente considerado como um \"material maravilha\" por causa de suas inúmeras propriedades surpreendentes. É um condutor eficiente de energia elétrica e térmica, é extremamente leve quimicamente inerte e é flexível com uma grande área de superfície. Também é considerado ambientalmente amigável e sustentável, com infinitas possibilidades de aplicação.


No campo das baterias, os materiais tradicionais de eletrodo da bateria (e futuros materiais de eletrodo) podem ser significativamente melhorados quando aprimorados com o grafeno. As baterias de grafeno são leves, duráveis, adequadas para armazenamento de energia de alta capacidade, além de reduzir o tempo de carregamento. Ele prolongará a vida útil da bateria, que está inversamente relacionada à quantidade de carbono revestida no material ou adicionada aos eletrodos para obter condutividade, enquanto o grafeno aumenta a condutividade sem a quantidade de carbono usado nas baterias convencionais.


O grafeno pode melhorar as propriedades da bateria, como densidade de energia e morfologia de várias maneiras. As baterias de íons de lítio (e outros tipos de baterias recarregáveis) podem ser morfologicamente otimizadas e o desempenho aprimorado incorporando grafeno no ânodo da bateria e explorando a condutividade elétrica do material e as grandes propriedades da área superficial.


Também foi descoberto que a criação de materiais híbridos também pode ser usada para obter aprimoramentos de bateria. Por exemplo, misturas de óxido de vanádio (VO2) e grafeno podem ser usadas em catodos de íons de lítio e fornecer carga e descarga rápidas, além de grande durabilidade do ciclo de carga. Nesse caso, o VO2 fornece alta capacidade de energia, mas baixa condutividade, que pode ser resolvida usando o grafeno como um \"backbone \" estrutural \"para conectar o VO2 - criando um híbrido que combina alta capacidade e excelente material de condutividade.


Outro exemplo é a bateria LFP (fosfato de ferro de lítio), que é uma bateria recarregável de íons de lítio. Comparado a outras baterias de íons de lítio, ela tem uma densidade de energia mais baixa, mas uma densidade de potência mais alta (um indicador da taxa na qual uma bateria pode fornecer energia). O aumento do cátodo LFP com grafeno permite que a bateria seja mais leve, carregue muito mais rápido que as baterias de íons de lítio e tenha uma capacidade maior que as baterias LFP convencionais.


Além de revolucionar o mercado de baterias, o uso combinado de baterias de grafeno e supercapacitores de grafeno pode produzir resultados surpreendentes, como o conceito bem conhecido de aumentar a faixa e a eficiência dos veículos elétricos. Embora as baterias de grafeno ainda não tenham alcançado uma comercialização generalizada, estão sendo relatadas avanços na bateria em todo o mundo.


Básico da bateria


As baterias atuam como bancos de energia, permitindo que os dispositivos alimentados funcionem sem serem conectados diretamente em uma saída. Embora existam muitos tipos de baterias, o conceito básico pelo qual eles funcionam permanecem semelhantes: uma ou mais células eletroquímicas convertem energia química armazenada em energia elétrica. As baterias geralmente são feitas de carcaça de metal ou plástico que contém um terminal positivo (ânodo), um terminal negativo (cátodo) e um eletrólito que permite que os íons se movam entre elas. O separador, uma membrana de polímero permeável, forma uma barreira entre o ânodo e o cátodo para evitar curtos circuitos, além de permitir o transporte de portadores de carga iônica precisavam fechar o circuito durante a passagem da corrente. Finalmente, o coletor é usado para carregar externamente com a bateria através do dispositivo conectado.


Quando o circuito entre os dois terminais é concluído, a bateria produz eletricidade através de uma série de reações. O ânodo sofre uma reação de oxidação na qual dois ou mais íons do eletrólito se combinam com o ânodo para criar compostos que liberam elétrons. Ao mesmo tempo, ocorre uma reação de redução no cátodo, e o material do cátodo, os íons e os elétrons livres se combinam em compostos. Em suma, a reação do ânodo produz elétrons, enquanto a reação do cátodo absorve elétrons e, portanto, produz eletricidade. A bateria continuará a gerar eletricidade até que os eletrodos fiquem sem substâncias necessárias para produzir a reação.


Baterias e supercapacitores


Embora alguns tipos de baterias sejam capazes de armazenar grandes quantidades de energia, elas são muito grandes, pesadas e liberam energia lentamente. Os capacitores, por outro lado, podem carregar e descarregar rapidamente, mas armazenar muito menos energia que as baterias. No entanto, o uso de grafeno nesse campo oferece novas possibilidades interessantes para armazenamento de energia, com altas taxas de carga e descarga e até acessibilidade. Assim, o desempenho aprimorado do grafeno obscurece as linhas tradicionais de distinção entre supercapacitores e baterias.


Tipo de bateria e características


As baterias são divididas em dois tipos principais: baterias primárias e baterias secundárias. Depois que uma bateria primária (descartável) é usada uma vez, ela não pode ser usada porque o material do eletrodo é irreversivelmente alterado durante o carregamento. Exemplos comuns são baterias de carbono de zinco e baterias alcalinas usadas em brinquedos, lanternas e uma série de dispositivos portáteis. Baterias secundárias (recarregáveis) que podem ser descarregadas e recarregadas várias vezes porque a composição original dos eletrodos restaura a função. Exemplos incluem baterias de chumbo-ácido para veículos e baterias de íon de lítio para eletrônicos portáteis.


As baterias vêm em todas as formas e tamanhos e são usadas para inúmeras fins diferentes. Diferentes tipos de baterias mostram vantagens e desvantagens diferentes. As baterias de níquel-cádmio (NICD) têm densidade de energia relativamente baixa e são usadas onde vida longa, altas taxas de descarga e preço econômico são fundamentais. Eles podem ser encontrados em câmeras de vídeo e ferramentas elétricas, entre outros usos. As baterias de níquel cádmio contêm metais tóxicos e não são ecológicos. As baterias NIMH têm maior densidade de energia do que as baterias NICD, mas têm uma vida útil mais curta. As aplicações incluem telefones celulares e laptops. As baterias ácidas de chumbo são pesadas e desempenham um papel importante nas aplicações de alta potência, onde o peso não é a essência, mas o preço econômico. Eles são comuns em usos, como equipamentos hospitalares e iluminação de emergência.


As baterias de íons de lítio (íon de lítio) são usadas onde alta energia e peso mínimo são importantes, mas a tecnologia é frágil e requer circuitos protetores para garantir a segurança. As aplicações incluem telefones celulares e vários computadores. As baterias de polímero de íons de lítio (polímero de íons de lítio) são encontradas principalmente em telefones celulares. Eles são leves e magos que as baterias de íon de lítio. Eles também são geralmente mais seguros e duram mais. No entanto, eles parecem ser menos comuns porque as baterias de íons de lítio são mais baratas de fabricar e têm maior densidade de energia.


As baterias aprimoradas por grafeno estão quase aqui


As baterias à base de grafeno têm potencial emocionante e, embora ainda não estejam totalmente comercializadas, a P&D é intensiva e promete dar frutos no futuro. Empresas de todo o mundo (incluindo Samsung, Huawei etc.) estão desenvolvendo diferentes tipos de baterias aprimoradas por grafeno, algumas das quais estão entrando no mercado. Usado principalmente em veículos elétricos e dispositivos móveis.


Algumas baterias usam grafeno de maneira periférica - não a química da bateria. Por exemplo, em 2016, a Huawei introduziu uma nova bateria de íons de lítio com grafeno que usa grafeno para manter a função em temperaturas mais altas (60 graus em vez do limite existente de 50 graus) e fornece o dobro do horário de trabalho. A bateria usa grafeno para melhor dissipação de calor - reduz a temperatura operacional da bateria em 5 graus.