"O sistema que desenvolvemos tem a potência do capacitor, aliado à disponibilidade de energia de uma bateria", disse Braun, professor de ciência e engenharia dos materiais. "A maioria dos capacitores armazena uma pequena quantidade de energia. Pode liberá-la rapidamente, mas não pode armazenar muita energia. A maioria das baterias armazena uma quantidade razoavelmente grande de energia, mas não pode fornecer ou receber energia rapidamente. Nosso dispositivo tem estas duas propriedades."

O desempenho de uma bateria recarregável típica - de íons de lítio (Li-ion) ou hidreto de níquel metálico (NiMH) -, diminui de modo significativo, quando a bateria é rapidamente carregada ou descarregada. A utilização do material ativo na bateria, na forma de um filme fino, permite carregar e descarregar rapidamente, mas reduz a capacidade de armazenamento de energia para quase zero, porque o material ativo não tem volume para armazenar a energia.

O grupo de Braun enrolou um filme fino em uma estrutura tridimensional, alcançando tanto um grande volume ativo (alta capacidade) quanto grandes correntes. Demonstraram, assim, que a utilização de seus eletrodos pode carregar ou descarregar (a bateria), em poucos segundos, 10 a 100 vezes mais rápido do que os eletrodos existentes, e ainda podem as baterias serem usadas normalmente nos dispositivos existentes.

Esse tipo de desempenho pode levar ao desenvolvimento de celulares que carregam em segundos ou de laptops que carregam em minutos, e ainda ao desenvolvimento de lasers de alta potência e desfibriladores, que não precisam de tempo para ser ligados antes ou entre os pulsos.

Braun é particularmente otimista para o potencial das baterias em veículos elétricos. O tempo de vida da bateria e o tempo de recarga são as grandes limitações dos veículos elétricos. Viagens de longa distância são inviáveis, pois a bateria fornece energia para percorrer 100 milhas, e depois leva uma hora para recarregar.

"Se você tivesse a possibilidade de ter uma carga rápida, em vez de levar horas para carregar o veículo, você poderia ter veículos que seriam recarregados em tempos semelhantes ao que é necessário para abastecer um carro numa bomba de gasolina", disse Braun. "Se você tivesse capacidade de carga em cinco minutos seria viável ter um carro elétrico. Você só pegaria uma estação de carga e recarregaria."

Todos os processos utilizados pelo grupo são, em larga escala, também utilizados na indústria, de forma que a técnica pode ser ampliada em termos de fabricação.

O auto-ordenamento é o fenômeno fundamental que o grupo usou para montar as estruturas 3D. Eles iniciam o processo pelo revestimento de uma superfície com minúsculas esferas, empacotando-as firmemente para formar uma rede. Tentar criar tal estrutura uniforme por outros métodos é demorado e pouco prático, mas no caso as esferas (muito baratas) se organizam automaticamente.

Em seguida, os pesquisadores preenchem o espaço entre e ao redor das esferas com metal. As esferas são derretidas ou dissolvidas, deixando uma estrutura 3D metálica moldada, como uma esponja. Após isto, um processo chamado de eletropolimento corrói uniformemente a superfície do suporte, para ampliar os poros e fazer uma estrutura aberta. Finalmente, os pesquisadores cobrem a estrutura com um filme fino de um material ativo.

O resultado é uma estrutura de eletrodo bicontínuo, com pequenas interconexões, de modo que os íons de lítio podem se mover rapidamente. Temos, assim, um filme fino de material ativo, onde a cinética de difusão é rápida, e uma estrutura metálica com boa condutividade elétrica.

O grupo demonstrou boa performance tanto para baterias NiMH, quanto para as de íon- Lítio. Entretanto, esta solução é geral, de forma que qualquer material de bateria pode ser depositado no molde de metal e, assim, ser usado.

"Estamos satisfeitos porque o processo é universal. Se alguém aparecer com uma bateria química superior, este conceito também se aplica", disse Braun. "Esse processo não é restrito a um tipo muito específico de bateria, mas é de fato um novo paradigma na concepção para melhorar as propriedades de uma bateria 3D."

Universidade de Illinois - Urbana-Champaign (Tradução - AGS).

Nota do Scientific Editor: o trabalho que deu origem a esta notícia: "Three-dimensional bicontinuous ultrafast-charge and -discharge bulk battery electrodes", de autoria de Huigang Zhang, Xindi Yu e Paul V. Braun, foi publicado on-line na revista Nature Nanotechnology, 201, DOI:10.1038/nnano.2011.38.

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