ÍNDICE DE CONTEÚDO
Por muitos anos, cientistas e engenheiros tentaram criar maneiras de tornar os sistemas de armazenamento de energia mais eficientes. Isso se manifestou de várias maneiras, incluindo tentar aumentar a capacidade de armazenamento de dispositivos de armazenamento de energia, reduzindo o tamanho dos dispositivos, desenvolvendo dispositivos de armazenamento de energia que podem carregar rapidamente e até mesmo fabricando dispositivos híbridos que levam as melhores propriedades de vários dispositivos em um único dispositivo – um exemplo são os módulos híbridos de bateria e ultracapacitor.
A crescente dependência de dispositivos eletrônicos em nossas vidas diárias promoveu a necessidade de maior eficiência, tamanhos menores e taxas de carregamento mais rápidas. Portanto, os desenvolvedores se esforçam constantemente para melhorar esses dispositivos e fornecer mais energia, mantendo ou reduzindo o tamanho. Muitos métodos convencionais de fabricação limitam o quão pequenos e eficientes desenvolvedores podem produzir dispositivos com materiais a granel, então muitos cientistas acadêmicos1 e fabricantes industriais agora estão se voltando para os nanomateriais para resolver esses desafios. O impacto da nanotecnologia nesses dispositivos nos últimos anos foi tão significativo que agora começamos a ver alguns dispositivos comerciais de armazenamento de energia no mercado que usam nanomateriais, muitos dos quais estão em produtos de consumo.
Por que a nanotecnologia tem impacto nos dispositivos de armazenamento de energia
Os nanomateriais exibem propriedades que os tornam ideais para uma ampla gama de dispositivos de armazenamento de energia. Como os nanomateriais podem ter propriedades muito diferentes entre si, os desenvolvedores têm infinitas possibilidades para melhorar esses dispositivos.
Um dos principais benefícios para os dispositivos de armazenamento de energia é a alta condutividade elétrica e a mobilidade do portador de carga de alguns nanomateriais, que permitem que a viagem dos elétrons e um armazenamento mais eficaz. Os efeitos quânticos observados em nanoescala também podem ser aprimorados em alguns nanomateriais. Alguns nanomateriais possuem poços quânticos – poços de potencial de energia – nos quais os elétrons podem criar um túnel se os poços estiverem próximos o suficiente. Isso significa que, em alguns nanomateriais, os elétrons podem passar pelo material sem serem impedidos por nenhuma das ligações químicas que compõem o dispositivo, o que, por sua vez, significa que eles não perdem energia.
Os nanomateriais também são inerentemente pequenos e/ou finos, permitindo-lhes construir os dispositivos em miniatura que os consumidores desejam sem comprometer a eficiência do dispositivo. Os nanomateriais também possuem uma área de superfície extensa e ativa em comparação com materiais a granel usados para armazenar cargas e/ou íons, dependendo do dispositivo de armazenamento.
Alguns outros nanomateriais são incrivelmente isolantes e podem suportar altas temperaturas – muito mais altas do que o calor emitido por dispositivos eletrônicos de alta potência. Em um mundo onde os dispositivos eletrônicos estão continuamente produzindo mais calor a cada geração de tecnologia, esses nanomateriais isolantes não apenas ajudam a proteger as propriedades elétricas do dispositivo; eles geralmente podem dissipar o calor dentro do dispositivo, o que significa que é menos provável que ocorram pontos de calor e danos localizados, prolongando a vida útil do dispositivo.
Diferentes nanomateriais tiveram impacto nas propriedades dos dispositivos de armazenamento de energia, e não é incomum usar mais de um nanomaterial para melhorar múltiplas propriedades do dispositivo e/ou induzir efeitos sinérgicos entre os nanomateriais que contribuem para um dispositivo mais eficiente. Frequentemente, os desenvolvedores podem usar mais de um nanomaterial em conjunto para fornecer benefícios aprimorados. Um exemplo é empilhar nanomateriais eletricamente isolantes (dielétricos) em cima de nanomateriais altamente condutores para reduzir a perda de energia para o ambiente, proteger os portadores de carga eletrônica e, em alguns casos, ajudar a manipular a direção de um elétron.
Onde a nanotecnologia está causando impacto
Os nanomateriais estão sendo usados em vários sistemas de armazenamento de energia. Destes, as baterias são as mais comuns, com baterias comerciais contendo nanomateriais. Dado que as baterias de íons de lítio representam o maior mercado para os fabricantes, é aqui que o maior impacto foi causado, mas também foram usadas para produzir baterias comerciais de lítio-enxofre (Li-S). Embora o maior uso de nanomateriais em baterias seja no eletrodo, eles também são usados em formas sólidas e de gel como eletrólito em algumas baterias.
Outra área importante em que o tamanho pequeno dessas baterias se tornou útil é na área em constante evolução de dispositivos eletrônicos flexíveis e vestíveis. Além de dispositivos autônomos, vários e-têxteis2 que usam armazenamento de energia para alimentar o dispositivo estão sendo desenvolvidos, e esses dispositivos só são possíveis devido ao pequeno tamanho e eficiência dos nanomateriais usados neles.
Além das baterias, alguns nanomateriais são usados para construir a próxima geração de supercapacitores, e alguns módulos estão sendo desenvolvidos que são um híbrido de baterias e supercapacitores para tentar explorar as propriedades benéficas de ambos enquanto tentam simultaneamente remover os problemas associados a ambos.
Esses sistemas de armazenamento de energia são usados em muitas tecnologias modernas diferentes, e os dispositivos de armazenamento de energia inspirados em nano têm potencial em sistemas de pequena escala (portáteis) e em sistemas de armazenamento de energia maiores, como veículos elétricos. Na verdade, os nanomateriais têm sido apontados como uma das formas mais promissoras de melhorar as capacidades relativamente fracas de carregamento e armazenamento de energia de muitas baterias atualmente usadas em veículos elétricos.
Embora os dispositivos de armazenamento de energia inspirados na nanotecnologia tenham recursos em sistemas maiores, eles são atualmente mais prevalentes em dispositivos portáteis e pequenos. Um excelente exemplo inclui um smartphone usado na Internet das Nano Coisas (IoNT). O IoNT significa que sensores menores são necessários, e as baterias baseadas em nanotecnologia oferecem uma maneira de alimentar esses dispositivos, com áreas de aplicação típicas que vão desde a detecção médica até o monitoramento ambiental.
Conclusão
Muitos nanomateriais têm propriedades altamente adequadas para melhorar o desempenho, tamanho e capacidade de carregamento de muitos dispositivos de armazenamento de energia. À medida que a demanda por dispositivos menores, porém mais eficientes, continua a crescer, os nanomateriais irão desempenhar um papel ainda maior nesses dispositivos do que agora. Já estamos começando a ver sistemas comerciais chegando ao mercado em uma variedade de produtos de consumo portáteis. Esses mercados provavelmente crescerão à medida que mais fabricantes de usuários finais adotarem essas tecnologias.
Referências
1. “Nanotecnologia em Baterias (Nano Bateria).” Acessado em 28 de novembro de 2022. https://www.understandingnano.com/batteries.html
2. Berger, Michael. “Têxteis eletrônicos de nanotecnologia para biomonitoramento e eletrônicos vestíveis.” Acessado em 28 de novembro de 2022. https://www.technicaltextile.net/articles/nanotechnology-e-textiles-for-bio-monitoring-and-wearable-electronics-3762
Artigo escrito por Liam Critchley e publicado no blog da Mouser Electronics: Nanotechnology’s Impact on Energy Storage Devices
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics.
