Os pesquisadores identificaram um grupo de materiais que poderiam ser usados ​​para fazer baterias de potência ainda maior. Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, usaram materiais com uma estrutura cristalina complexa e descobriram que os íons de lítio se movem através deles a taxas que excedem em muito as dos materiais de eletrodo típicos, o que equivale a uma bateria de carregamento muito mais rápido.

Embora esses materiais, conhecido como óxidos de nióbio e tungstênio, não resultam em densidades de energia mais altas quando usado em taxas de ciclagem típicas, eles vêm por si próprios para aplicações de carregamento rápido. Adicionalmente, sua estrutura física e comportamento químico fornecem aos pesquisadores uma visão valiosa de como um cofre, bateria de carregamento super-rápido pode ser construída, e sugerem que a solução para baterias de próxima geração pode vir de materiais não convencionais. Os resultados são relatados no jornal Natureza .

Muitas das tecnologias que usamos todos os dias estão ficando menores, mais rápido e mais barato a cada ano - com a notável exceção das baterias. Além da possibilidade de um smartphone que pode ser totalmente carregado em minutos, os desafios associados à fabricação de uma bateria melhor estão impedindo a adoção generalizada de duas tecnologias limpas importantes:carros elétricos e armazenamento em escala de rede para energia solar.

"Estamos sempre procurando materiais com desempenho de bateria de alta taxa, o que resultaria em uma carga muito mais rápida e também poderia fornecer saída de alta potência, "disse o Dr. Kent Griffith, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Química de Cambridge e o primeiro autor do artigo.

Em sua forma mais simples, as baterias são feitas de três componentes:um eletrodo positivo, um eletrodo negativo e um eletrólito. Quando uma bateria está carregando, Os íons de lítio são extraídos do eletrodo positivo e se movem através da estrutura cristalina e do eletrólito para o eletrodo negativo, onde eles estão armazenados. Quanto mais rápido esse processo ocorre, mais rápido a bateria pode ser carregada.

Na busca por novos materiais para eletrodos, os pesquisadores normalmente tentam tornar as partículas menores. "A ideia é que se você diminuir a distância que os íons de lítio têm que percorrer, deve dar a você uma taxa de desempenho mais alta, "disse Griffith." Mas é difícil fazer uma bateria prática com nanopartículas:você obtém muito mais reações químicas indesejadas com o eletrólito, então a bateria não dura tanto, além disso, é caro de fazer. "

"Nanopartículas podem ser difíceis de fazer, É por isso que procuramos materiais que tenham inerentemente as propriedades que procuramos, mesmo quando usados ​​como partículas comparativamente grandes em mícrons. Isso significa que você não precisa passar por um processo complicado para torná-los, que mantém os custos baixos, "disse a Professora Clare Gray, também do Departamento de Química e do autor sênior do artigo. "As nanopartículas também são desafiadoras de se trabalhar em um nível prático, já que tendem a ser bastante "fofos", por isso é difícil embalá-los bem juntos, que é a chave para a densidade de energia volumétrica de uma bateria. "

Os óxidos de nióbio e tungstênio usados ​​no trabalho atual têm uma estrutura rígida, estrutura aberta que não retém o lítio inserido, e têm tamanhos de partículas maiores do que muitos outros materiais de eletrodo. Griffith especula que a razão pela qual esses materiais não receberam atenção anteriormente está relacionada aos seus complexos arranjos atômicos. Contudo, ele sugere que a complexidade estrutural e a composição de metais mistos são os motivos pelos quais os materiais exibem propriedades de transporte únicas.

"Muitos materiais de bateria são baseados nas mesmas duas ou três estruturas de cristal, mas esses óxidos de nióbio e tungstênio são fundamentalmente diferentes, "disse Griffith. Os óxidos são mantidos abertos por 'pilares' de oxigênio, o que permite que os íons de lítio se movam através deles em três dimensões. "Os pilares de oxigênio, ou planos de cisalhamento, tornam esses materiais mais rígidos do que outros compostos de bateria, de modo a, além de suas estruturas abertas, significa que mais íons de lítio podem se mover através deles, e muito mais rapidamente. "

Usando uma técnica chamada espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) gradiente de campo pulsado (PFG), que não é prontamente aplicado aos materiais do eletrodo da bateria, os pesquisadores mediram o movimento dos íons de lítio através dos óxidos, e descobriram que eles se moviam a taxas várias ordens de magnitude mais altas do que os materiais de eletrodo típicos.

A maioria dos eletrodos negativos nas baterias de íon-lítio atuais são feitos de grafite, que tem uma alta densidade de energia, mas quando cobrado em altas taxas, tende a formar fibras finas de metal de lítio conhecidas como dendritos, o que pode criar um curto-circuito e fazer com que as baterias pegem fogo e explodam.

"Em aplicações de alta taxa, a segurança é uma preocupação maior do que em quaisquer outras circunstâncias operacionais, "disse Gray." Estes materiais, e potencialmente outros como eles, definitivamente valeria a pena olhar para aplicações de carregamento rápido onde você precisa de uma alternativa mais segura ao grafite. "

Além de suas altas taxas de transporte de lítio, os óxidos de nióbio e tungstênio também são simples de fazer. "Muitas das estruturas de nanopartículas levam várias etapas para sintetizar, e você acaba com uma pequena quantidade de material, então a escalabilidade é um problema real, "disse Griffith." Mas esses óxidos são tão fáceis de fazer, e não exigem produtos químicos ou solventes adicionais. "

Embora os óxidos tenham excelentes taxas de transporte de lítio, eles levam a uma voltagem de célula mais baixa do que alguns materiais de eletrodo. Contudo, a tensão de operação é benéfica para a segurança e as altas taxas de transporte de lítio significam que, ao pedalar rápido, a densidade de energia prática (utilizável) desses materiais permanece alta.

Embora os óxidos possam ser adequados apenas para certas aplicações, Gray diz que o importante é continuar em busca de novos produtos químicos e novos materiais. "Os campos ficam estagnados se você não continuar procurando por novos compostos, ", diz ela." Esses materiais interessantes nos dão uma boa idéia de como podemos projetar materiais de eletrodo de taxa mais alta. "