A busca por uma bateria de íon de lítio melhor - uma que pudesse manter um telefone celular funcionando por dias, aumentar a gama de carros elétricos e maximizar o armazenamento de energia em uma rede - é uma busca contínua, mas um estudo recente feito por cientistas da Canadian Light Source (CLS) com o National Research Council of Canada (NRC) mostrou que a resposta pode ser encontrada na química.

"As pessoas tentaram de tudo em um nível de engenharia para melhorar as baterias, "disse o Dr. Yaser Abu-Lebdeh, um oficial de pesquisa sênior do NRC, "mas para melhorar sua capacidade, você tem que brincar com a química dos materiais. "

As baterias de lítio têm eletrodos compostos de grafite e um aglutinante chamado difluoreto de polivinilideno (PVDF), explicou Abu-Lebdeh, que trabalhou com colegas do NRC e cientistas do CLS no estudo. Silício, Contudo, tem 10 vezes mais capacidade de lítio do que grafite, portanto, o foco foi a criação de um eletrodo composto feito de silício e grafite.

Este parece ser um caminho viável para aumentar a densidade de energia das baterias recarregáveis ​​de íon de lítio, mas as baterias de composto de silício perdem capacidade muito rapidamente durante o ciclo; depois de apenas cinco ciclos, sua capacidade era ainda menor do que eletrodos de grafite, mesmo para pequenas quantidades de silício nos compósitos.

"O projeto teria sido muito desafiador de ser concluído sem a capacidade do CLS de ver a química da interface em nanoescala, "diz o cientista industrial do CLS Jigang Zhou, um especialista em bateria da equipe de pesquisa.

A equipe usou várias instalações NRC e CLS, incluindo testes eletroquímicos, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de raios-X, desenvolver um novo método de caracterização de bateria que demonstre a química na superfície da bateria. A técnica pode ser usada para pesquisas em uma variedade de baterias recarregáveis, que entusiasma Zhou.

"Para mim, a verdadeira beleza é que este novo método de caracterização é um raio para uma nova compreensão de tantas questões de pesquisa de bateria, "diz Zhou.

A equipe aplicou sua técnica para entender por que mesmo uma pequena quantidade de silício, quando combinado com grafite e o aglutinante, fez com que as baterias se degradassem. O problema, eles descobriram, foi a decomposição do ligante PVDF durante o ciclo da bateria, que ocorreu com eletrodos somente de grafite, apesar do bom desempenho da bateria.

Seus resultados, publicado pela American Chemical Society online em um artigo de acesso aberto, fornecer um guia para o projeto de ligantes mais adequados para eletrodos de grafite / silício composto, novos polímeros que não apresentam interação química adversa com nenhum dos componentes, apontando para a possibilidade de aumentar a capacidade da bateria, incluindo silício.

Abu-Lebdeh espera ver o desenvolvimento de novos ligantes levando a um aumento incremental no conteúdo de silício, para uma meta de cerca de 20 por cento. O resultado, ele disse, seriam baterias de densidade de energia mais alta com três vezes mais capacidade do que aquelas com eletrodos somente de grafite. Ele acrescentou que, embora a adição de silício aumente a capacidade da bateria, não aumenta o custo se for integrado como um sistema não disruptivo, tecnologia drop-in nos processos de fabricação atuais.

Abu-Lebdeh credita a Zhou e ao cientista do CLS Jian Wang o fornecimento "do entendimento fundamental que foi crítico para este trabalho. Foi uma pesquisa verdadeiramente colaborativa, e eles forneceram uma peça crucial para o quebra-cabeça. "

Abu-Lebdeh descreveu as descobertas dos pesquisadores como uma consideração importante para a indústria de baterias de íon-lítio que está trabalhando em busca de soluções econômicas para eletrônicos de consumo de próxima geração, veículos elétricos e redes de energia.