O grafeno possui benefícios extraordinários devido às suas excelentes propriedades físico-químicas. Por isso, o grafeno tem uma ampla gama de aplicações, que cresce a cada dia. Nos últimos anos, as baterias de grafeno começaram a ser comercializadas, tornando-se um enorme sucesso graças às suas características notáveis, que oferecem grandes vantagens para o mercado e as indústrias.
Introdução
O grafeno é uma estrutura bidimensional derivada do grafite, composta por uma camada única de átomos de carbono organizados em um padrão de colmeia. Existem diversas formas de produzir grafeno, sendo a deposição química de vapor assistida por plasma (PE-CVD) uma das mais eficientes e utilizadas atualmente.
Vantagens do processo PE-CVD
O processo PE-CVD oferece vantagens como crescimento livre de transferência, ausência de catalisadores e menores temperaturas operacionais no substrato. Nesse método, uma mistura gasosa rica em carbono é aquecida no plasma, formando uma camada de grafeno sobre uma placa metálica, normalmente de níquel ou cobre. Após a formação, o grafeno é cuidadosamente extraído da superfície metálica.
Características do Grafeno
O grafeno é, basicamente, a forma mais fina possível do grafite, com apenas uma camada de átomos de carbono em estrutura hexagonal. Ao ser isolado nessa escala, ele passa a apresentar propriedades únicas, bastante diferentes do grafite convencional.
Trata-se de um material extremamente leve, flexível e incrivelmente resistente. Para se ter uma ideia, o grafeno é até 200 vezes mais resistente que o aço, enquanto pesa apenas uma fração dele. Além disso, é um excelente condutor de eletricidade, o que amplia seu uso em diversas tecnologias.
Assim como ocorre nas baterias comerciais de íons de lítio, nas baterias de grafeno a energia é transferida por meio de placas altamente condutoras e porosas, permitindo carregamento e descarregamento em altas taxas. Apesar de algumas similaridades no design, as baterias de grafeno oferecem desempenho significativamente superior em diversos aspectos.
Descoberta e Síntese do Grafeno
Embora já se especulasse sobre a existência do grafeno desde a década de 1940, ele só foi isolado em 2004 pelos cientistas Konstantin Novoselov e Andre Geim, uma conquista que lhes rendeu o Prêmio Nobel de Física.
O método utilizado ficou conhecido como “método da fita adesiva”, uma técnica de esfoliação mecânica do grafite. Nesse processo, uma simples fita adesiva é utilizada para destacar camadas extremamente finas do grafite até obter uma monocamada de grafeno.
Outros métodos para produzir grafeno
Além do método da fita adesiva, foram desenvolvidas outras técnicas, como a centrifugação e sonicação do grafite em líquidos, que permite criar dispersões de grafeno. Outros métodos incluem a síntese a partir do açúcar (conhecida como “Método Tang-Lau”), redução de carboneto de silício e crescimento epitaxial via deposição química de vapor (CVD).
A combinação dessas técnicas e das propriedades extraordinárias do grafeno faz com que esse material esteja entre os mais pesquisados da atualidade, com crescente interesse acadêmico e industrial.
Diferentes formas de grafeno
O grafeno pode ser utilizado de diferentes formas, como em substratos sólidos, dispersões líquidas ou na forma de pó de óxido de grafeno. Independentemente da forma, ele preserva suas características mecânicas, térmicas, ópticas e eletrônicas excepcionais, graças à sua espessura de apenas uma camada atômica.
Propriedades do Grafeno
Propriedades elétricas
O grafeno possui uma mobilidade eletrônica extremamente alta, cerca de 200.000 cm²/Vs, tornando-o um dos materiais mais condutores do planeta à temperatura ambiente. Sua resistência superficial é de 31 Ω/□ e sua condutividade elétrica chega a 1.000.000 S/m.
Propriedades ópticas
Apesar de ser altamente condutor, o grafeno é também extremamente transparente, permitindo a passagem de até 97,7% da luz visível. Cada camada de grafeno absorve cerca de 2,3% da luz, o que facilita a contagem de suas camadas em aplicações científicas e tecnológicas.
Propriedades mecânicas
O grafeno combina leveza e resistência como nenhum outro material. Com densidade superficial de apenas 0,77 mg/m², apresenta módulo elástico de 1,1 TPa e resistência à tração de 125 GPa, valores muito superiores aos do aço convencional, que possui módulo de 200 GPa.
Sua resistência à ruptura é de 42 N/m, o que equivale a uma resistência mecânica cerca de 100 vezes superior ao aço, sendo ainda flexível e leve.
Condutividade elétrica do grafeno
O grafeno apresenta uma pequena sobreposição entre as bandas de condução e valência, sendo classificado como um semimetal ou semicondutor de banda zero. Sua estrutura eletrônica permite a livre movimentação dos elétrons, o que explica sua altíssima condutividade elétrica.
Quando comparado a outras formas, uma única camada de grafeno possui até 10.000 vezes mais condutividade elétrica do que múltiplas camadas ou outros materiais semelhantes.
Propriedades térmicas
O grafeno possui uma condutividade térmica extraordinária, superior a 5300 W/mK, o que representa mais de 10 vezes a condutividade do cobre. Quando suportado em materiais amorfos, essa condutividade reduz para valores entre 500 e 600 W/mK.
Propriedades do grafeno aplicado em baterias
Com uma área superficial de 2.630 m²/g, o grafeno oferece grande capacidade de armazenamento de cargas elétricas sem perda significativa de desempenho ao longo de ciclos de carga e descarga.
Além disso, suas ligações covalentes extremamente fortes conferem ao material mais de quatro vezes a resistência à tração do aço, mantendo-se altamente flexível, transparente e excelente condutor de calor e eletricidade. Essas características tornam o grafeno ideal para a fabricação de baterias e supercapacitores de alto desempenho.
Superando a baixa densidade de energia
Embora supercapacitores de grafeno não armazenem tanta energia quanto uma bateria convencional, eles podem ser recarregados completamente em questão de minutos. Para superar essa limitação, os pesquisadores estão desenvolvendo sistemas híbridos que combinam baterias e supercapacitores, oferecendo tanto alta densidade de energia quanto recarga ultrarrápida.
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