Estudos computacionais indicam materiais mais promissores para uso em eletrodos

Assim como o plástico e o silício, o grafeno ganhou, ao longo da última década, o status de “material do futuro”, devido a uma imensa variedade de aplicações imaginadas a partir de propriedades excepcionais relacionadas a resistência mecânica, leveza, flexibilidade e condutividade elétrica, além do baixo custo, dentre outras. No Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), pesquisadores vinculados à divisão de Armazenamento Avançado de Energia (AES) vêm estudando o material para aplicação em eletrodos de supercapacitores, dispositivos de armazenamento de energia similares às baterias, mas com velocidade de carga e descarga muito maior.

No entanto, uma propriedade intrínseca do grafeno, a chamada capacitância quântica, pode limitar esse potencial. Capacitância significa, em termos muito simplificados, a capacidade de um material ou um dispositivo de armazenar energia. A capacitância total resulta de duas outras grandezas, a capacitância de dupla camada (relativa à interface entre eletrodo e eletrólito) e a capacitância quântica, e, assim, seu valor pode ser limitado por uma capacitância quântica reduzida. A boa notícia é que a capacitância quântica pode ser ampliada através de modificações na estrutura da folha de grafeno, pela retirada de átomos de carbono (vacância) e sua substituição por átomos de outros elementos (a chamada dopagem com heteroátomos).

Um dos estudos realizados pela equipe da AES buscou justamente compreender melhor a participação da capacitância quântica e da capacitância de dupla camada na capacitância total de supercapacitores com eletrodos a base de grafeno, bem como identificar melhores estratégias de dopagem para o aumento da capacitância total. Para tanto, inicialmente, foram realizados estudos computacionais – simulações de dinâmica molecular (no caso da capacitância de dupla camada) e cálculos de teoria do funcional de densidade (DFT, para a capacitância quântica) –, que confirmaram a hipótese da capacitância quântica do grafeno puro (não modificado) ser o limitador do valor da capacitância total. Com isso, torna-se possível, por exemplo, indicar materiais mais promissores a serem testados em estudos experimentais, ou seja, na montagem de supercapacitores, em um modelo conhecido como design racional, que revela a rota mais efetiva para buscar materiais que aprimorem a performance e a operação dos dispositivos.

Além do estudo sobre o grafeno em si – que, em linhas gerais, é uma camada muito fina de carbono, com espessura de um único átomo –, as pesquisas também resultam em conhecimento sobre outros materiais a base de carbono com grande potencial para uso em eletrodos, como nanotubos de carbono, grafite e carvão ativado, dentre outros. “Este é sobretudo um estudo de conhecimento fundamental, em que o grafeno funciona como uma plataforma de estudo para outros alótropos de carbono mais usuais, como os nanotubos e o carbono poroso. As características eletrônicas desses materiais são semelhantes, mas os estudos de simulação são mais simples com o grafeno, por se tratar de apenas uma folha, por ser um material bidimensional. Assim, quando eu identifico o comportamento eletrônico do grafeno, podemos imaginar que o caminho para compreender os outros materiais terá menos obstáculos”, explica Débora Ariana Corrêa da Silva, que desenvolve a pesquisa em seu doutorado em Engenharia Elétrica na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), sob orientação de Hudson Giovani Zanin, pesquisador vinculado à AES.

Ao destacar o caráter básico de sua pesquisa, da Silva esclarece que, comumente, a capacitância total é medida no nível macroscópico, ou seja, no dispositivo supercapacitor, sem que se compreenda os componentes quânticos que interferem neste resultado. Além desta compreensão fundamental, o trabalho indicou, como melhor escolha para maiores valores de capacitância, um supercapacitor assimétrico, ou seja, com dois eletrodos distintos, sendo o eletrodo do lado negativo dopado com flúor e o eletrodo com carga positiva dopado com nitrogênio.

“A análise só da capacitância quântica fica muito distante dos estudos experimentais, por se tratar de uma propriedade quântica, ou seja, própria de uma escala infinitamente pequena, que não pode ser medida diretamente na escala macroscópica. Mas, quando a associamos a uma propriedade clássica, como a capacitância de dupla camada, chegamos a um resultado que pode ser medido no laboratório experimental, o que é muito interessante, pois permite, por exemplo, as comparações entre diferentes materiais, além da compreensão do que de fato está interferindo naquele resultado macroscópico”, explica a pesquisadora.

Agora, o grupo de pesquisa testará materiais semelhantes aos investigados no estudo computacional, para verificar se os resultados experimentais condizem com aqueles obtidos nas simulações. As análises integram o conjunto de pesquisas desenvolvidas na AES em busca de materiais que possam aprimorar propriedades e aplicações de supercapacitores no contexto de transição energética para um modelo sustentável.

Os resultados deste estudo específico foram publicado em janeiro deste ano no periódico Physical Chemistry Chemical Physics, no artigo “Exploring doped or vacancy-modified graphene-based electrodes for applications in asymmetric supercapacitors”, assinado, além de da Silva, Zanin e outros pesquisadores da AES, por parceiros da Universidade Federal de São Paulo (Unifesp) e da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).

Legenda da foto: Representação atômica dos eletrodos de grafeno estudados, com o carbono representado como esferas marrons e os átomos de dopagem como esferas azuis (Crédito: Autores)