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Bateria derivada de lignina | bateria composta de matéria vegetal

Os pesquisadores da ORNL e da Universidade do Tennessee estão estudando a estrutura de materiais para baterias à base de vegetais, combinando experiências com nêutrons e simulações em supercomputadores. A partir da análise de amostras de fibras de carbono feitas a partir de um polímero vegetal conhecido como lignina, o pesquisador Orlando Rios notou algo incomum. A Microestrutura do material – uma mistura de cristais em nanoescala perfeitamente esféricos distribuídos dentro de uma matriz fibrosa, que parecia quase perfeita demais para ser verdade.

 

A estrutura da lignina

A lignina, é um subproduto de baixo custo das indústrias de celulose, papel e biocombustíveis, pode ser transformado em uma versão mais barata do grafite, altamente sofisticada por meio de um processo de fabricação simples e industrialmente escalável.

“Eu pensei, os pesquisadores gastariam muito trabalho e tempo modificando grafite para obter um material com essa aparência”, disse Rios, um cientista de materiais do Departamento de Energia do Laboratório Nacional de Oak Ridge. “Ele tinha uma microestrutura realmente diferente de qualquer outro grafite que eu vi.”

Bateria composta de matéria vegetal

O modelo molecular da foto mostra a composição do ânodo da bateria: carbono amorfo (azul), carbono cristalino (verde) e hidrogênio (branco).

Rios e seus colegas logo perceberam que a estrutura única da fibra de lignina poderia torná-lo útil como um ânodo de bateria, potencialmente melhor do que os materiais de grafite encontrados na maioria das baterias de íons de lítio. A lignina, um subproduto de baixo custo das indústrias de celulose, papel e biocombustíveis, pode ser transformado em uma versão mais barata do grafite altamente sofisticada por meio de um processo de fabricação simples e industrialmente escalável.

“Começamos a tratar as fibras quando elas ainda estão no estado de polímeros e, em seguida, elas são fundidas em conjunto sendo derretidas ou ‘queimadas’ “, disse Rios. “Então se obtêm uma estrutura que se parece com um tapete ou pedaço de papel. E podemos pegar este material, e colocá-lo em uma bateria, e está feito. Ela está pronto para para funcionar”.

Os testes com nêutrons na bateria

Os testes iniciais da bateria derivada de lignina mostraram resultados promissores em termos de estabilidade e capacidade, mas os pesquisadores queriam entender como e por que o material se comportou de forma diferente de outros grafites. Rios começou a colaborar com a Universidade do Tennessee, liderado por David Keffer, para examinar melhor estrutura e comportamento das fibras.

“Não há muitas técnicas que podemos usar para estudar esses materiais originais feitos de domínios cristalinos dentro de uma matriz amorfa”, disse o Nicholas McNutt, um estudante de pós-graduação no grupo de Keffer. “Queríamos unir alguns dos melhores recursos do Oak Ridge – nêutrons e computadores -. E ver o que podemos fazer”

A equipe realizou experimentos espalhamento de nêutrons no ORNL Spallation Neutron Source (SNS) para analisar como amostras de fibras à base de lignina reagiriam com o lítio. O SNS é uma instalação que fornece os mais intensos feixes de nêutrons pulsados ​​no mundo para a investigação científica e desenvolvimento industrial.

Usando os dados de nêutrons, a equipe desenvolveu modelos computacionais e fizeram simulações em supercomputadores, incluindo o mecanismo do Oak Ridge conhecido como Leadership Computing Facility’s (OLCF). A equipe detalhou sua abordagem no Jornal de Cristalografia Aplicada.

“Nossos modelos nos permitem ter dados de espalhamento de nêutrons experimental e prever coisas sobre a estrutura atômica local”, disse McNutt. “Estamos utilizando a computação para entender os dados experimentais de uma forma que se podia fazer antes.”

A combinação inicial de experimentos de nêutrons e de simulação, deu ao time um primeiro vislumbre de como a estrutura do material afeta o seu desempenho global. Agora que eles confirmaram a precisão do seu modelo, os pesquisadores planejam aplicar a técnica para esclarecer como estrutura do material muda com e sem lítio acrescentou, imitando a carga e descarga ciclos de uma bateria real.

Referências

  1. Nicholas W. McNutt, Orlando Rios, Mikhail Feygenson, Thomas E. Proffen, David J. Keffer. Structural analysis of lignin-derived carbon composite anodes.Journal of Applied Crystallography, 2014; 47 (5) DOI:10.1107/S1600576714014666
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Escrito por Equipe de Redação Ciências e Tecnologia

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Pesquisadores conseguiram utilizar a lignina para criar uma bateria com características melhores do que o grafite usado atualmente