Se você adicionar mais lítio ao eletrodo positivo de uma bateria de íon-lítio - sobrecarregue-o, em certo sentido - pode armazenar muito mais carga na mesma quantidade de espaço, teoricamente, fornecer energia a um carro elétrico 30 a 50 por cento a mais entre as cargas. Mas esses cátodos ricos em lítio perdem rapidamente a voltagem, e anos de pesquisa não conseguiram descobrir o porquê - até agora.

Depois de olhar o problema de muitos ângulos, pesquisadores da Universidade de Stanford, dois laboratórios nacionais do Departamento de Energia e o fabricante de baterias Samsung criaram uma imagem abrangente de como os mesmos processos químicos que dão a esses catodos sua alta capacidade também estão ligados a mudanças na estrutura atômica que prejudicam o desempenho.

"Esta é uma boa notícia, "disse William E. Gent, um estudante de graduação da Stanford University e Siebel Scholar que conduziu o estudo. "Isso nos dá um caminho novo e promissor para otimizar o desempenho da tensão de cátodos ricos em lítio, controlando a forma como sua estrutura atômica evolui à medida que uma bateria é carregada e descarregada."

Michael Toney, um distinto cientista da equipe do SLAC National Accelerator Laboratory e um co-autor do artigo, adicionado, "É um grande negócio se você consegue fazer esses eletrodos ricos em lítio funcionarem, porque eles seriam um dos capacitadores para carros elétricos com um alcance muito mais longo. Há um enorme interesse na comunidade automotiva em desenvolver maneiras de implementá-los, e entender quais são as barreiras tecnológicas pode nos ajudar a resolver os problemas que as estão impedindo. "

O relatório da equipe aparece hoje em Nature Communications .

Os pesquisadores estudaram os cátodos com uma variedade de técnicas de raios-X no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC e no Lawrence Berkeley National Laboratory's Advanced Light Source (ALS). Teóricos da Fundição Molecular do Laboratório de Berkeley, liderado por David Prendergast, também estiveram envolvidos, ajudando os experimentadores a entender o que procurar e explicar seus resultados.

Os próprios cátodos foram feitos pelo Samsung Advanced Institute of Technology usando processos comercialmente relevantes, e montados em baterias semelhantes às dos veículos elétricos.

"Isso garantiu que nossos resultados representassem um entendimento de um material de ponta que seria diretamente relevante para nossos parceiros da indústria, "Gent disse. Como um doutorando ALS em residência, ele estava envolvido nos experimentos e na modelagem teórica para o estudo.

Como um balde meio vazio

As baterias convertem energia elétrica em energia química para armazenamento. Eles têm três partes básicas - dois eletrodos, o cátodo e o ânodo, e o eletrólito líquido entre eles. Como uma bateria de íon de lítio carrega e descarrega, íons de lítio vão e voltam entre os dois eletrodos, onde eles se inserem nos materiais do eletrodo.

Quanto mais íons um eletrodo pode absorver e liberar em relação ao seu tamanho e peso - um fator conhecido como capacidade - mais energia ele pode armazenar e quanto menor e mais leve uma bateria pode ser, permitindo que as baterias encolham e os carros elétricos viajem mais milhas entre cargas.

"O cátodo nas baterias de íon de lítio de hoje opera com apenas cerca de metade de sua capacidade teórica, o que significa que deve durar o dobro do tempo por carga, "disse o professor de Stanford William Chueh, um investigador do Instituto Stanford de Materiais e Ciências da Energia (SIMES) no SLAC.

"Mas você não pode carregá-lo completamente. É como um balde que você enche de água, mas então você só pode derramar metade da água. Este é um dos grandes desafios no campo agora - como você faz com que esses materiais catódicos se comportem de acordo com sua capacidade teórica? É por isso que as pessoas estão tão entusiasmadas com a perspectiva de armazenar muito mais energia em cátodos ricos em lítio. "

Como os cátodos de hoje, Os cátodos ricos em lítio são feitos de camadas de lítio ensanduichadas entre camadas de óxidos de metal de transição - elementos como o níquel, manganês ou cobalto combinado com oxigênio. Adicionar lítio à camada de óxido aumenta a capacidade do cátodo em 30 a 50 por cento.

Ligando os pontos

Pesquisas anteriores mostraram que várias coisas acontecem simultaneamente quando os cátodos ricos em lítio carregam, Chueh disse:Os íons de lítio se movem do cátodo para o ânodo. Alguns átomos de metal de transição se movem para tomar seu lugar. Enquanto isso, átomos de oxigênio liberam alguns de seus elétrons, estabelecer a corrente elétrica e a tensão para carregar, de acordo com Chueh. Quando os íons de lítio e elétrons retornam ao cátodo durante a descarga, a maioria dos intrusos do metal de transição retorna aos seus lugares originais, mas nem todos eles e não imediatamente. A cada ciclo, este vai e vem muda a estrutura atômica do cátodo. É como se o balde se transformasse em um balde menor e ligeiramente diferente, Chueh adicionado.

"Sabíamos que todos esses fenômenos estavam provavelmente relacionados, mas não como, "Chueh disse." Agora, este conjunto de experimentos no SSRL e ALS mostra o mecanismo que os conecta e como controlá-lo. Esta é uma descoberta tecnológica significativa que as pessoas não compreenderam holisticamente. "

No SSRL do SLAC, Toney e seus colegas usaram uma variedade de métodos de raios-X para fazer uma determinação cuidadosa de como a estrutura atômica e química do cátodo mudava conforme a bateria carregava e descarregava.

Outra ferramenta importante foi o RIXS de raio-X suave, ou espalhamento inelástico de raios-X ressonante, que coleta informações em escala atômica sobre as propriedades magnéticas e eletrônicas de um material. Um sistema RIXS avançado que começou a operar no ALS no ano passado faz a varredura de amostras muito mais rápido do que antes.

"O RIXS tem sido usado principalmente para física fundamental, "O cientista de ALS Wanli Yang disse." Mas com este novo sistema ALS, queríamos realmente abrir o RIXS para estudos de materiais práticos, incluindo materiais relacionados à energia. Agora que seu potencial para esses estudos foi parcialmente demonstrado, poderíamos facilmente estender o RIXS a outros materiais de bateria e revelar informações que não estavam acessíveis antes. "

A equipe já está trabalhando para usar o conhecimento fundamental que adquiriu para projetar materiais de bateria que podem atingir sua capacidade teórica e não perder tensão com o tempo.