Dra. Jennifer Ludwig da Universidade Técnica de Munique (TUM) desenvolveu um processo, que permite um rápido, simples, e produção econômica de cristais nanocristalinos de fosfato de cobalto e lítio. Em comparação com o fosfato de ferro-lítio padrão, este material melhora a densidade de energia das baterias de íon-lítio de cerca de 600 a 800 watts-hora por quilograma. Crédito:Andreas Battenberg / TUM
Há demanda de energia em trânsito:quanto maior a capacidade da bateria, quanto maior a gama de carros elétricos e maior o tempo de operação de telefones celulares e laptops. Dra. Jennifer Ludwig da Universidade Técnica de Munique (TUM) desenvolveu um processo que permite um rápido, simples, e produção econômica do promissor material catódico de fosfato de lítio-cobalto em alta qualidade. A química recebeu o Prêmio de Pesquisa Evonik por seu trabalho.
A esperança é rosa:o pó que Jennifer Ludwig derrama cuidadosamente em uma tigela de vidro e que brilha em rosa à luz da lâmpada do laboratório tem o potencial de melhorar significativamente o desempenho das baterias futuras. "O fosfato de cobalto-lítio pode armazenar substancialmente mais energia do que os materiais catódicos convencionais, "explica o químico.
Trabalhando no grupo de Tom Nilges, chefe da cátedra de Síntese e Caracterização de Materiais Inovadores, o químico desenvolveu um processo para produzir o pó rosa rapidamente, com quantidades mínimas de energia e da mais alta qualidade.
Os pesquisadores de baterias vêm considerando o fosfato de lítio-cobalto um material do futuro há algum tempo. Ele opera em tensões mais altas do que o fosfato de ferro lítio tradicionalmente empregado e, portanto, atinge uma densidade de energia mais alta - 800 watts-hora por quilograma em vez de pouco menos de 600 watts-hora.
Processo anterior:caro e consome muita energia
Anteriormente, Contudo, a produção do promissor material do cátodo de alta voltagem exigia um processo muito complexo, processo que consome muita energia e é ineficiente em condições adversas com temperaturas de 800 ° C. "E os cristais que se formam nessas condições variam em tamanho e devem ser transformados em pó nanocristalino em um segundo, etapa de produção com uso intensivo de energia, "relata Ludwig.
Dra. Jennifer Ludwig da Universidade Técnica de Munique (TUM) com amostras dos experimentos de otimização. Finalmente, esses experimentos levaram a um material catódico de alta voltagem, que, em comparação com o fosfato de lítio e ferro padrão, melhora a densidade de energia das baterias de íon de lítio de cerca de 600 a 800 watts-hora por quilograma. Crédito:Andreas Battenberg / TUM
Além disso, os cristais resultantes exibem condutividade iônica suficiente em apenas uma direção. Na maior parte da superfície, a reação química entre o material do eletrodo e o eletrólito nas baterias progride muito lentamente.
Cristais sob medida
O processo de síntese por micro-ondas desenvolvido por Jennifer Ludwig resolve todos esses problemas de uma vez:A obtenção do fosfato de cobalto-lítio de alto grau requer apenas um forno de micro-ondas e 30 minutos de tempo.
Os reagentes são colocados em um recipiente de Teflon junto com um solvente e, em seguida, são aquecidos. Apenas 600 W são suficientes para atingir os 250 ° C necessários para estimular a formação de cristais.
As plaquetas planas criadas no processo medem menos de um micrômetro de diâmetro e têm apenas algumas centenas de nanômetros de espessura, com o eixo de condutividade máxima orientado para a superfície. "Esta forma garante melhor desempenho eletroquímico porque os íons de lítio precisam se mover apenas curtas distâncias dentro dos cristais, "explica Ludwig.
Imagem do microscópio eletrônico dos cristais de fosfato de cobalto-lítio em forma de plaquetas. Uma vez que os cristais têm apenas algumas centenas de nanômetros de espessura e o eixo de condutividade máxima é orientado para a superfície, os íons de lítio precisam se mover apenas curtas distâncias dentro do cristal. Crédito:Katia Rodewald / TUM
Orientando a reação
A química também foi capaz de resolver outro problema no decorrer de seus experimentos:em temperaturas acima de 200 ° C e sob alta pressão, em vez do fosfato de cobalto-lítio desejado, um até então desconhecido, O complexo composto de hidróxido de cobalto hidrogenofosfato é ocasionalmente formado.
Jennifer Ludwig conseguiu elucidar o mecanismo de reação, isolar o composto e determinar sua estrutura e propriedades. Uma vez que o novo composto não é adequado como material de bateria, ela modificou a reação para que apenas o fosfato de cobalto-lítio desejado fosse produzido.
“Com este novo processo de produção, agora podemos criar alto desempenho, cristais de fosfato de cobalto-lítio em forma de plaquetas com propriedades personalizadas em alta qualidade, "diz o professor Nilges." Assim, mais um obstáculo no caminho para novos materiais de alta tensão foi superado. "
