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– Pesquisadores da Chalmers University of Technology produziram uma bateria estrutural com desempenho dez vezes melhor do que todas as versões anteriores. Ele contém fibra de carbono que serve simultaneamente como um eletrodo, condutor e material de suporte de carga. A descoberta mais recente de suas pesquisas abre caminho para o armazenamento de energia essencialmente “sem massa” em veículos e outras tecnologias.
Cortesia Chalmers: As baterias dos carros elétricos atuais constituem uma grande parte do peso dos veículos, sem cumprir qualquer função de suporte de carga. Uma bateria estrutural, por outro lado, é aquela que funciona tanto como fonte de energia quanto como parte da estrutura – por exemplo, na carroceria de um carro. Isso é denominado armazenamento de energia sem massa, porque, em essência, o peso da bateria desaparece quando ela se torna parte da estrutura de suporte de carga. Os cálculos mostram que esse tipo de bateria multifuncional pode reduzir muito o peso de um veículo elétrico.
O desenvolvimento de baterias estruturais na Chalmers University of Technology prosseguiu por muitos anos de pesquisa, incluindo descobertas anteriores envolvendo certos tipos de fibra de carbono. Além de serem rígidos e fortes, eles também têm uma boa capacidade de armazenar energia elétrica quimicamente. Este trabalho foi nomeado pela Physics World como uma das dez maiores descobertas científicas de 2018.
A primeira tentativa de fazer uma bateria estrutural foi feita no início de 2007, mas até agora provou ser difícil fabricar baterias com boas propriedades elétricas e mecânicas.
Mas agora o desenvolvimento deu um verdadeiro passo em frente, com pesquisadores da Chalmers, em colaboração com o KTH Royal Institute of Technology em Estocolmo, apresentando uma bateria estrutural com propriedades que excedem em muito qualquer coisa já vista, em termos de armazenamento de energia elétrica, rigidez e resistência . Seu desempenho multifuncional é dez vezes maior do que os protótipos de bateria estruturais anteriores.
A bateria tem uma densidade de energia de 24 Wh / kg, o que significa aproximadamente 20 por cento da capacidade em comparação com baterias de íon de lítio comparáveis atualmente disponíveis. Mas, como o peso dos veículos pode ser bastante reduzido, menos energia será necessária para dirigir um carro elétrico, por exemplo, e a densidade de energia mais baixa também resulta em maior segurança. E com uma rigidez de 25 GPa, a bateria estrutural pode realmente competir com muitos outros materiais de construção comumente usados.
“Tentativas anteriores de fazer baterias estruturais resultaram em células com boas propriedades mecânicas ou boas propriedades elétricas. Mas aqui, usando fibra de carbono, conseguimos projetar uma bateria estrutural com capacidade e rigidez competitivas de armazenamento de energia ”, explica Leif Asp, professor da Chalmers e líder do projeto.
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A nova bateria tem um eletrodo negativo feito de fibra de carbono e um eletrodo positivo feito de uma folha de alumínio revestida com fosfato de ferro e lítio. Eles são separados por um tecido de fibra de vidro, em uma matriz eletrolítica. Apesar de seu sucesso na criação de uma bateria estrutural dez vezes melhor do que todas as anteriores, os pesquisadores não escolheram os materiais para tentar quebrar recordes – em vez disso, eles queriam investigar e compreender os efeitos da arquitetura do material e da espessura do separador.
Agora, um novo projeto, financiado pela Agência Espacial Nacional Sueca, está em andamento, onde o desempenho da bateria estrutural será aumentado ainda mais. A folha de alumínio será substituída por fibra de carbono como material de suporte de carga no eletrodo positivo, proporcionando maior rigidez e densidade de energia. O separador de fibra de vidro será substituído por uma variante ultrafina, que terá um efeito muito maior – além de ciclos de carregamento mais rápidos. O novo projeto deverá ser concluído em dois anos.
Leif Asp, que também está liderando este projeto, estima que tal bateria poderia atingir uma densidade de energia de 75 Wh / kg e uma rigidez de 75 GPa. Isso tornaria a bateria quase tão forte quanto o alumínio, mas com um peso comparativamente muito menor.
“A bateria estrutural da próxima geração tem um potencial fantástico. Se você olhar para a tecnologia de consumo, pode ser bem possível dentro de alguns anos fabricar smartphones, laptops ou bicicletas elétricas que pesam a metade de hoje e são muito mais compactos ”, diz Leif Asp.
E, a longo prazo, é absolutamente concebível que carros elétricos, aviões elétricos e satélites sejam projetados com e alimentados por baterias estruturais.
“Estamos realmente limitados apenas pela nossa imaginação aqui. Temos recebido muita atenção de diversos tipos de empresas em relação à publicação de nossos artigos científicos na área. É compreensível que haja um grande interesse por esses materiais multifuncionais leves ”, afirma Leif Asp.
Leia o artigo na revista científica Advanced Energy & Sustainability Research: Uma bateria estrutural e seu desempenho multifuncional
Mais sobre: A pesquisa em baterias estruturais
A bateria estrutural usa fibra de carbono como eletrodo negativo e uma folha de alumínio revestida com fosfato de ferro e lítio como eletrodo positivo. A fibra de carbono atua como um hospedeiro para o lítio e, portanto, armazena a energia. Como a fibra de carbono também conduz elétrons, a necessidade de condutores de cobre e prata também é evitada – reduzindo ainda mais o peso. Tanto a fibra de carbono quanto a folha de alumínio contribuem para as propriedades mecânicas da bateria estrutural. Os dois materiais do eletrodo são mantidos separados por um tecido de fibra de vidro em uma matriz de eletrólito estrutural. A tarefa do eletrólito é transportar os íons de lítio entre os dois eletrodos da bateria, mas também transferir cargas mecânicas entre as fibras de carbono e outras partes.
O projeto é executado em colaboração entre a Chalmers University of Technology e o KTH Royal Institute of Technology, as duas maiores universidades técnicas da Suécia. O eletrólito da bateria foi desenvolvido na KTH. O projeto envolve pesquisadores de cinco disciplinas diferentes: mecânica de materiais, engenharia de materiais, estruturas leves, eletroquímica aplicada e tecnologia de fibras e polímeros.
O financiamento veio do programa de pesquisa Clean Sky II da Comissão Europeia, bem como da Força Aérea dos EUA. Para mais informações, contate: Leif Asp, Professor da Divisão de Materiais e Mecânica Computacional / Chalmers University of Technology, leif.asp@chalmers.se
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