O design inovador ajuda a desenvolver microbaterias poderosas

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Traduzir o desempenho eletroquímico de baterias de grande formato para fontes de energia em microescala tem sido um desafio tecnológico de longa data, limitando a capacidade das baterias de alimentar microdispositivos, microrobôs e dispositivos médicos implantáveis. Pesquisadores da University of Illinois Urbana-Champaign criaram uma microbateria de alta voltagem (> 9 V), com alta densidade de energia e potência, incomparável com qualquer projeto de bateria existente.

Professor de Ciência e Engenharia de Materiais Paul Braun (Cadeira Distinta Grainger em Engenharia, Diretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais), Dr. Sungbong Kim (Pós-doutorado, MatSE, atual professor assistente na Academia Militar da Coreia, co-primeiro autor) e Arghya Patra (Aluno de Pós-Graduação, MatSE, MRL, co-primeiro autor) publicou recentemente seu artigo “Baterias em miniatura de alta tensão e alta potência integradas em série” em Células Relatórios Ciências Físicas.

A equipe demonstrou baterias de lítio hermeticamente fechadas (bem fechadas para evitar a exposição ao ar ambiente), duráveis ​​e compactas com fração de massa de embalagem excepcionalmente baixa em configurações de empilhamento simples, duplo e triplo com tensões operacionais sem precedentes, densidades de alta potência e densidades de energia.

Braun explica: “Precisamos de baterias minúsculas e poderosas para liberar todo o potencial dos dispositivos em microescala, melhorando as arquiteturas dos eletrodos e criando designs inovadores de bateria”. O problema é que, à medida que as baterias ficam menores, a embalagem domina o volume e a massa da bateria, enquanto a área do eletrodo se torna menor. Isso resulta em reduções drásticas de energia e potência da bateria.

Em seu design exclusivo de poderosas microbaterias, a equipe desenvolveu uma nova tecnologia de embalagem que usava os coletores de corrente de terminal positivo e negativo como parte da própria embalagem (em vez de uma entidade separada). Isso permitiu o volume compacto (? 0,165 cm3) e baixa fração de massa da embalagem (10,2%) das baterias. Além disso, eles empilharam verticalmente as células de eletrodos em série (de modo que a tensão de cada célula aumenta), o que permitiu a alta tensão de operação da bateria.

Outra maneira de melhorar essas microbaterias é usando eletrodos muito densos que oferecem densidade de energia. Eletrodos normais são quase 40% em volume ocupados por polímeros e aditivos de carbono (não materiais ativos). O grupo de Braun desenvolveu eletrodos por meio de uma técnica de eletrodeposição direta de temperatura intermediária, que são totalmente densos e sem polímeros e aditivos de carbono. Esses eletrodos totalmente densos oferecem mais densidade de energia volumétrica do que seus equivalentes comerciais. As microbaterias nesta pesquisa foram fabricadas usando DirectPlate galvanizado densoMT LiCoO2 eletrodos fabricados pela Xerion Advanced Battery Corporation (XABC, Dayton, Ohio), uma empresa que surgiu da pesquisa de Braun.

Patra menciona: “Até o momento, as arquiteturas de eletrodos e os designs de células na escala micro-nano têm sido limitados a designs densos de energia que custam porosidade e densidade de energia volumétrica. Nosso trabalho foi bem-sucedido em criar uma fonte de energia em microescala que exibe alta densidade de potência e densidade de energia volumétrica.”

Um importante espaço de aplicação dessas microbaterias inclui alimentar microrrobôs do tamanho de insetos para obter informações valiosas durante desastres naturais, missões de busca e resgate e em ambientes perigosos onde o acesso humano direto é impossível. O co-autor James Pikul (professor assistente, Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, Universidade da Pensilvânia) aponta que “a alta tensão é importante para reduzir a carga eletrônica que um microrobô precisa carregar. 9 V pode alimentar motores diretamente e reduzir a perda de energia associada ao aumento da tensão para centenas ou milhares de volts necessários de alguns atuadores. Isso significa que essas baterias permitem melhorias no nível do sistema além do aprimoramento da densidade de energia, para que os pequenos robôs possam viajar mais longe ou enviar informações mais críticas aos operadores humanos .”

Kim acrescenta: “Nosso trabalho preenche a lacuna de conhecimento na interseção da química de materiais, requisitos exclusivos de fabricação de materiais para configurações de microbateria planares densas em energia e nano-microeletrônica aplicada que requer uma fonte de alimentação de alta tensão integrada para acionar microatuadores e micromotores”.

Braun, um pioneiro no campo da miniaturização de baterias, conclui, “nosso projeto atual de microbateria é adequado para aplicações de alta energia, alta potência, alta voltagem e descarga única. O próximo passo é traduzir o design para todos plataformas de microbateria de estado sólido, baterias que seriam inerentemente mais seguras e mais densas em energia do que as contrapartes de células líquidas.”

Outros colaboradores deste trabalho incluem Dr. James H. Pikul (Professor Assistente, Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, Universidade da Pensilvânia), Dr. John B. Cook (XABC), Dr. Ryan Kohlmeyer (XABC), Dr. Beniamin Zahiri (Professor Assistente de Pesquisa, MRL, UIUC) e Dr. Pengcheng Sun (Cientista de Pesquisa, MRL, UIUC).

Com informações de Science Daily.

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