Atividade de Estudo 1 Ciências dos Materiais

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Atividade de Estudo
 
	Acadêmico (a):
	 Carzino Celso Lopes
	RA :
	19110595-5
	Disciplina:
	Ciências dos Materiais
	Atividade:
	Atividade de Estudo 1
1) 
PARTE A
Para cada um dos seguintes itens ou dispositivos, determine qual material específico é usado e quais propriedades específicas esse material possui para o dispositivo funcionar corretamente. Faça um breve descritivo de como foi a evolução dos materiais para cada um dos itens e quais são os materiais do futuro para que as características desejadas sejam melhoradas. 
- Baterias de telefone celular (smartphones):
As baterias são dispositivos formados por um conjunto de pilhas agrupadas em série ou em paralelo, nos quais ocorrem reações de oxidorredução, produzindo uma corrente elétrica. A unidade básica de uma bateria é uma célula, sendo formada por dois eletrodos (placas positiva e negativa) isolados fisicamente por um material isolante elétrico, porém condutor iônico (separador) e mergulhados ou envolvidos por um eletrólito (meio condutor). O eletrodo positivo (cátodo) é constituído pelo material ativo que possui maior potencial de oxirredução (redox), por outro lado o eletrodo negativo (ânodo) é constituído pelo material ativo com menor potencial redox. O separador geralmente é um filme microporoso de fibra ou polímero, e o eletrólito pode ser líquido, sólido ou gasoso.
As baterias podem ser diferenciadas considerando-se a maneira como funcionam, sendo, portanto classificadas em: (a) baterias primárias, as quais constituem sistemas não recarregáveis, devido à ocorrência de reações paralelas, que comprometem a estabilidade da célula. Ex.: zinco/dióxido de manganês, zinco/óxido de prata, lítio/dióxido de enxofre, (b) baterias secundárias, as quais constituem sistemas cujas reações eletroquímicas podem ser revertidas por meio da aplicação de uma corrente externa, sendo, portanto recarregáveis. Um sistema eletroquímico é considerado secundário quando é capaz de suportar 300 ciclos completos de carga e descarga com retenção de 80% da sua capacidade.
As baterias de celular (secundárias) podem ser chamadas de Baterias de Íon-Lítio. O Lítio é um elemento químico de símbolo Li, número atômico 3 e massa atômica 7 u, possui em sua estrutura três prótons e três elétrons. Pertence à família 1A da classificação periódica dos elementos químicos, o que o torna um metal alcalino (mais leve). 
O funcionamento de baterias de íons lítio baseia-se no fenômeno de intercalação iônica. Neste caso, quando ocorre a intercalação de um íon Li+ em um eletrodo, obrigatoriamente, para manter a neutralidade do sistema, um elétron sofre intercalação, gerando corrente elétrica. A célula é composta por um ânodo, sendo o grafite é o material mais comumente usado, pois além de apresentar uma estrutura lamelar é capaz de intercalar reversivelmente os íons lítio sem alterar significativamente a sua estrutura. O cátodo é composto, geralmente, por óxidos de metais de transição de (LiCoO2, LiNiO2 etc.) ou espinélio (LiMnO2), sendo o óxido de cobalto litiado o material mais frequentemente utilizado. Durante a descarga da bateria os íons lítio liberados através das reações redox são transportados pelo eletrólito de um eletrodo para o outro de forma reversível, eletro-neutralizando o sistema.
Reação no ânodo:
Reação no cátodo:
Reação global:
Uma das vantagens desse tipo de bateria está na sua densidade de energia, uma vez que o lítio é um elemento altamente reativo, propiciando maior tempo de uso sem necessidade de recarga, além de serem mais leves. Outra vantagem é que elas não são afetadas pelo “efeito memória” e podem ser recarregadas sem a necessidade de esperar o descarregamento total da bateria. Devido à esta característica que facilita a vida do usuário, ela não requer tanta atenção quanto ao processo de carga e descarga. 
Uma desvantagem é que não se deve deixar a bateria descarregar totalmente pois podem se tornar inutilizáveis. Também são extremamente sensíveis à temperatura, logo quando expostas ao calor podem perder parte de sua capacidade total e se decompõem mais rápido que o normal.
No início do século XX, as limitações das baterias, até então utilizadas, inspiraram a busca por outras configurações que pudessem fornecer maiores valores de capacidade e energia específica e, assim, o lítio tornou-se um alvo importante. A história das baterias de íons lítio inicia com o físico-químico americano Gilbert Newton Lewis fazendo as primeiras pesquisas com baterias de lítio metálico em 1912.
A primeira bateria recarregável de lítio foi desenvolvida em 1980, empregando o ânodo de lítio metálico. No entanto, quando o lítio é utilizado como ânodo na forma metálica em uma bateria recarregável, existe um problema relacionado com a segurança devido à alta reatividade do lítio metálico, originado de reações perigosas que pode ocasionar explosões e chamas. Uma alternativa a este problema é a utilização de lítio na forma iônica, através do emprego de ânodo à base de grafite, e compostos de lítio com características de inserção de íons lítio como cátodo. 
O químico americano John B. Goodenough, no início dos anos 80, liderou uma equipe de pesquisa da Sony para produzir uma versão mais estável da bateria de lítio recarregável. Mas somente em 1991 que a Sony comercializou a primeira bateria de íons lítio, baseada no ânodo de grafite (C) e cátodo de óxido cobalto de lítio (LiCoO2). 
Desde então, devido às características atraentes da bateria de íons lítio como acumulador de energia para aplicações que demandam alta densidade de energia e potência, aliado à necessidade do mercado por equipamentos portáteis (telefones celulares, computadores, etc.), bem como o crescente interesse na viabilização do veículo elétrico, a tecnologia de íon de lítio evoluiu e permitiu que computadores e celulares se tornassem menores e mais poderosos. Hoje, as baterias de lítio alimentam praticamente todos os dispositivos portáteis, indústrias e sistemas de energia solar fotovoltaica, além de ser o principal componente de um carro elétrico, um dos segmentos que mais cresceu nos últimos anos.
As atividades do cotidiano e a própria modernidade fez com que as empresas investissem em pesquisas de baterias de celular que armazenassem mais energia e demorem mais tempo para descarregar. Seguem abaixo materiais do futuro para dar maior durabilidade, flexibilidade e usabilidade as baterias de celulares.
- Baterias de nanofios de ouro: 
Os pesquisadores da Universidade da Califórnia Irvine fizeram testes com nanofios de ouro. Como resultado, descobriram que a vida útil da bateria se torna quase infinita, evitando a necessidade de troca após um determinado tempo. Entretanto, devido a espessura, esses fios acabavam se rompendo rapidamente, mas a solução para evitar essa situação foi usar gel eletrolítico para ajudar a dar firmeza aos nanofios de ouro. As baterias com esse material não apresentaram nenhum tipo de degradação, o que pode mostrar uma ótima alternativa para quem deseja uma durabilidade maior.
- Baterias de grafeno:
O grafeno é um ótimo condutor de calor e eletricidade. O eletrodo negativo que deve ser coberto com uma fina camada de grafeno, no lugar do grafite. 
A nova tecnologia permite ainda mais recargas sem perder capacidade, ou seja, tem uma vida útil maior. Uma bateria de lítio aguenta entre 300 e 500 recargas, enquanto a de grafeno suporta até 1.500 ciclos para a mesma capacidade. Além disso, carregam mais rápido: são necessários apenas 20 minutos para uma carga completa de uma bateria de 3.000 mAh com um carregador de 60 Watts. E como geram muito menos calor, são mais seguras.
- Micro capacitores fabricados a laser:
Cientistas da Universidade Rice estão realizando estudos para usar laser na fabricação desse tipo de capacitor, o que pode garantir uma maior qualidade das baterias que levam esse tipo de material. Uma "célula de potência"que captura a energia do laser e gera a eletricidade necessária para recarregar a bateria. Um dissipador de calor separa a célula de potência do celular, para evitar superaquecimento. Eles são baratos de serem comprados, mas a sua fabricação é bem cara. Essa inovação aumenta a velocidade do carregamento em até 50 vezes, mas isso não quer dizer que a velocidade de descarga também será rápida, pois ele consegue um resultado bem mais lento do que os supercapacitores atuais. Possui uma grande resistência, pois continuou com funcionamento perfeito mesmo depois de ser dobrado mais de 10 mil vezes.
- Células solares fotovoltaicas:
Células solares são dispositivos de geração de energia capazes de converter energia luminosa (através da absorção) em eletricidade, sendo que para isso são utilizadas as propriedades eletrônicas de uma classe de materiais conhecidas como semicondutores, em geral, utiliza-se o silício, podendo ser cristalino, monocristalino (mono-Si), policristalino (multi-Si) e silício amorfo (a-Si).
A energia fotovoltaica é aplicada em calculadoras, iluminação pública, eletrificação rural, aldeias distantes das principais redes de eletricidade, telefones em rodovias, satélites, pequenos barcos e veículos de lazer. Com a redução do preço dos módulos fotovoltaicos, tem sido mais frequente o uso de sistemas conectados à rede, quer em grandes usinas fotovoltaicas, quer em residências ou edifícios comerciais.
O silício cristalino que pode ser utilizado como matéria prima da célula fotovoltaica, possui propriedades físicas específicas. O átomo de silício tem quatro elétrons em sua última camada eletrônica que são compartilhados por ligações covalentes, e portanto, não tem liberdade de se movimentar pelo cristal. Para tornar o silício um bom condutor de eletricidade, certas impurezas são acrescentadas ao cristal. Pode ser feito uma infusão de fósforo no silício. Neste caso alguns sítios de silício são substituídos por átomos de fósforo que por pertencer ao grupo V da Tabela Periódica possui 5 elétrons na camada de valência. Portanto os átomos de fósforo terão quatro de seus elétrons compartilhados, restando um elétron sem fazer ligação covalente.
Os elétrons do fósforo que não estão fazendo ligação conseguem romper facilmente sua ligação com o núcleo sendo necessário uma baixa energia. Ao absorver essa energia, promovem elétrons da banda de valência para a banda de condução, deixando buracos positivos para trás e, como consequência, esses elétrons e esses buracos dão origem a uma corrente elétrica. Neste caso dizemos que o silício fica dopado tipo-n, porque o dopante introduzido aumenta a quantidade de elétrons (portadores negativos) na banda de condução.
A conversão da luz em energia elétrica ocorre em um tempo muito pequeno e os pares elétrons-buracos gerados podem se recombinar em tempos muito inferiores a um segundo. Assim, a energia gerada deve ser aproveitada ou armazenada imediatamente, caso contrário será perdida.
O efeito fotovoltaico foi demonstrado pela primeira vez em 1839 pelo físico francês Edmond Becquerel. Aos 19 anos, ele construiu a primeira célula fotovoltaica do mundo no laboratório de seu pai.
Em 1883, Charles Fritts construiu a primeira célula fotovoltaica em estado sólido. Ele revestiu o semicondutor selênio com uma fina camada de ouro para formar as junções. A célula fotovoltaica de Charles tinha apenas 1% de eficiência.
Em 1905, Albert Einstein propôs uma nova teoria quântica da luz e explicou o efeito fotoelétrico em uma de suas teses, pela qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921.
A primeira célula fotovoltaica comercial foi lançada em 25 de Abril 1954 em uma reunião anual da National Academy of Sciences em abril de 1954. Russell Ohl foi quem inventou a primeira placa de silício e também foi o primeiro a patentear o sistema fotovoltaico moderno. No entanto, seu êxito só foi possível graças ao trabalho de Calvin Fuller, Gerald Pearson e Daryl Chapin, cientistas do laboratório Bell Labs. 
Em 1958, as células fotovoltaicas foram utilizadas pela primeira vez em um satélite, que continha seis grandes painéis solares e mais de 9600 células solares fotovoltaicas, tudo para garantir que o satélite produzisse a própria energia no espaço, aproveitando-se dos raios solares. Mesmo atualmente, os satélites seguem esse padrão.
Hoje, a tecnologia das células fotovoltaicas está tão acessível que empresas de todos os portes e cidadãos comuns podem levar essa tecnologia para seus imóveis, economizar na conta de luz e ainda ajudar a manter o planeta mais limpo e sustentável.
- Célula fotovoltaica de silício negro: 
Trata-se de um fotodetector com silício negro, que atingiu eficiência acima de 130%. A eficiência quântica externa de um dispositivo é de 100% quando um fóton que entra gera um elétron para o circuito externo - uma eficiência de 130% significa que um fóton que entra gera aproximadamente 1,3 elétrons.
A eficiência quântica externa excepcionalmente alta está no processo de multiplicação dos portadores de carga dentro das nanoestruturas de silício negro, processo esse que é induzido por fótons de alta energia. O fenômeno nunca havia sido observado antes em dispositivos reais, uma vez que a presença de perdas elétricas e ópticas nos materiais normalmente reduz o número de elétrons coletados.
- Revestimento para placas solares:
Pesquisadores da Universidade de Riverside, na Califórnia, desenvolveram um revestimento para as placas. Este envoltório mistura nanopartículas inorgânicas semicondutoras com compostos orgânicos. O objetivo é maximizar a conversão dos raios absorvidos pelas células solares e impedir o desperdício de porções infravermelha. A tecnologia promete ser 30% mais eficiente do que as placas tradicionais.
- Telha solar: 
São feitas de vidro em camadas sobre um substrato fotovoltaico. Elas foram criadas para substituir as telhas atuais. O encaixe entre as peças, permiti que os cabos fiquem ocultos e o produto realmente pareça como telhas encaixadas uma sobre a outra.
A telha com placa solar é uma aposta para a tecnologia do futuro em residências também. Ela possui um preço competitivo com outras alternativas e contribui para a geração de energia limpa, por esse motivo o material vem ganhando notoriedade no país.
PARTE B
Para o ferro CCC, calcule (a) o espaçamento interplanar e (b) o ângulo de difração para o conjunto de planos (220). O parâmetro de rede para o Fe é 0,2866 nm. Suponha, ainda, que seja usada uma radiação monocromática com comprimento de onda de 0,1790 nm e que a ordem de reflexão seja 1.
a) A magnitude da distância entre dois planos de átomos adjacentes e paralelos (espaçamento interplanar) é uma função dos índices de Miller (h, k e l) e do parâmetro de rede(a). Para estrutura cristalina com simetria cúbica:
Para o ferro CCC o parâmetro de rede é 0,2866 nm e o conjunto de planos (220), ou seja:
Substituindo os valores na equação:
Resposta: A distância interplanar do ferro com estrutura cristalina CCC é de 
b) Para calcular o ângulo de difração para o conjunto de planos (220) utiliza-se a Lei de Bragg. É uma expressão simples que relaciona o comprimento de onda dos raios X e o espaçamento inter atômico ao ângulo do feixe difratado. É um indicativo para sabermos se acontecerão interferências construtivas:
Em que n e um inteiro positivo que representa a ordem da reflexão (geralmente n = 1), λ e o comprimento de onda dos raios X, dhkl e a distância entre os planos cristalográficos adjacentes e θ e o angulo de incidência do feixe de raios X. Para o exercício a radiação monocromática possui comprimento de onda (λ) de 0,1790 nm e que a ordem de reflexão (n) igual a 1. A distância entre os planos foi obtida na letra a e será usada. Substituindo os valores:
2θ é chamado ângulo de difração:
Resposta: O ângulo de difração para o conjunto de planos (220) é 124,26°.