Uma equipe de pesquisa da Northwestern University encontrou maneiras de estabilizar uma nova bateria com uma capacidade de carga recorde. Com base em um cátodo de óxido de lítio-manganês, a descoberta pode permitir que smartphones e automóveis movidos a bateria durem mais do que o dobro entre as cargas.

"Este eletrodo de bateria alcançou uma das maiores capacidades já relatadas para todos os eletrodos baseados em óxido de metal de transição. É mais do que o dobro da capacidade dos materiais atualmente em seu telefone celular ou laptop, "disse Christopher Wolverton, o professor Jerome B. Cohen de Ciência e Engenharia de Materiais na McCormick School of Engineering da Northwestern, quem conduziu o estudo. "Esse tipo de alta capacidade representaria um grande avanço no objetivo das baterias de íon-lítio para veículos elétricos."

O estudo foi publicado online em 14 de maio em Avanços da Ciência .

As baterias de íon de lítio funcionam transportando os íons de lítio para frente e para trás entre o ânodo e o cátodo. O cátodo é feito de um composto que compreende íons de lítio, um metal de transição e oxigênio. O metal de transição, tipicamente cobalto, efetivamente armazena e libera energia elétrica quando os íons de lítio se movem do ânodo para o cátodo e vice-versa. A capacidade do cátodo é então limitada pelo número de elétrons no metal de transição que podem participar da reação.

Uma equipe de pesquisa francesa relatou pela primeira vez o composto de óxido de lítio-manganês de grande capacidade em 2016. Ao substituir o cobalto tradicional por manganês mais barato, a equipe desenvolveu um eletrodo mais barato com mais do que o dobro da capacidade. Mas não foi sem desafios. O desempenho da bateria degradou-se tão significativamente nos primeiros dois ciclos que os pesquisadores não a consideraram comercialmente viável. Eles também não compreenderam totalmente a origem química da grande capacidade ou da degradação.

Depois de compor um detalhado, imagem átomo por átomo do cátodo, A equipe de Wolverton descobriu a razão por trás da alta capacidade do material:ele força o oxigênio a participar do processo de reação. Ao usar oxigênio - além do metal de transição - para armazenar e liberar energia elétrica, a bateria tem maior capacidade de armazenar e usar mais lítio.

Próximo, a equipe da Northwestern voltou seu foco para estabilizar a bateria a fim de evitar sua degradação rápida.

"Armado com o conhecimento do processo de cobrança, usamos cálculos de alto rendimento para examinar a tabela periódica para encontrar novas maneiras de ligar este composto a outros elementos que poderiam melhorar o desempenho da bateria, "disse Zhenpeng Yao, co-primeiro autor do artigo e ex-Ph.D. estudante no laboratório de Wolverton.

Os cálculos identificaram dois elementos:cromo e vanádio. A equipe prevê que a mistura de qualquer um dos elementos com óxido de lítio-manganês produzirá compostos estáveis ​​que mantêm a alta capacidade sem precedentes do cátodo. Próximo, Wolverton e seus colaboradores irão testar experimentalmente esses compostos teóricos em laboratório.