Cientistas projetam bateria de íon-sódio-de baixo custo com eletrodos baratos

Uma equipe de pesquisa internacional projetou um sistema de armazenamento de bateria de íons de sódio (SIB) baseado em um material catódico do tipo P2 conhecido como Na0,67Mn0,33Ni0,33Fe0,33O2 e um ânodo baseado em um material de carbono duro fabricado a partir de flores de lavanda.

A configuração do sistema proposta destina-se à fabricação de baixo-custo, garantindo ao mesmo tempo escalabilidade e sustentabilidade ambiental, já que os dois materiais de eletrodo são descritos como precursores "amplamente acessíveis".

"A diversidade das plantas e a capacidade de produção são fatores importantes que afetam a comercialização de SIBs, já que os carbonos duros-derivados de plantas são sustentáveis ​​e econômicos", explicaram os pesquisadores. “O carbono duro derivado de plantas preserva as microestruturas dos tecidos vegetais, aumentando assim a penetração do eletrólito e a difusividade do sódio.

Os cientistas estimaram a produção global de lavanda em aproximadamente 1.000–1.500 toneladas anuais. No entanto, apenas uma pequena fração desta produção pode ser utilizada para materiais de eletrodos, já que apenas o resíduo da flor é adequado para conversão em carbono duro.

Eles também observaram que o ânodo de carbono duro e o cátodo do tipo P2- na célula completa têm reservatórios de sódio insuficientes, levando a um baixo desempenho eletroquímico. "O presente trabalho aborda essa lacuna avaliando o desempenho -total da célula de P2-Na0,67Mn0,9Ni0,1O2 juntamente com carbono duro derivado de resíduos de flores de lavanda sob diferentes abordagens de pré-soldação", explicaram ainda.

Os cientistas usaram difração de raios X (XRD), microscopia eletrônica de varredura (SEM), espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e espectroscopia Raman para caracterizar o cátodo e o ânodo do sistema SIB e descobriram que o cátodo tem uma estrutura hexagonal P63/mmc, enquanto o ânodo mostrou picos largos característicos de carbono amorfo.

SEM e TEM revelaram, em particular, grãos catódicos de tamanho micrométrico e uma superfície porosa de carbono duro, e EDS e XPS indicaram que o material tem boa estabilidade estrutural. Análises posteriores também demonstraram que a incorporação de níquel (Ni) melhorou o desempenho estrutural, eletrônico e eletroquímico do cátodo.

Além disso, os testes eletroquímicos revelaram capacidades iniciais de 200 mAh/g para o cátodo e 360 ​​mAh/g para o ânodo, com retenções de capacidade de 42% e 67,4% após 100 ciclos. No geral, descobriu-se que a dopagem com Ni melhora a condutividade e a estabilidade do cátodo, e o ânodo demonstrou bom desempenho de armazenamento de sódio, suportando forte desempenho de meia-célula e potencial de célula completa-, de acordo com os pesquisadores.

"Este estudo abrangente destaca o potencial de desenvolvimento de SIBs com materiais de eletrodos sustentáveis ​​e de baixo-custo", concluíram. "A otimização das estratégias de pré-soldação oferece uma oportunidade para tecnologias SIB comerciais avançadas e escaláveis."

O sistema foi descrito no estudo "Baterias-de íons de sódio-econômicas usando um cátodo Na0,67Mn0,9Ni0,1O2 e-resíduos-de flores-de lavanda com carbono duro derivado com uma abordagem comparativa de pré-imersão", publicado no Journal of Power Sources. A equipe de pesquisa era composta por cientistas da Universidade Inonu da Turquia, da Universidade Técnica de Istambul, da Universidade Malatya Turgut Ozal e da Universidade Aksaray, bem como do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia e da Universidade Quaid-i-Azam do Paquistão, entre outros.