As baterias de íon de lítio que alimentam veículos elétricos e telefones carregam e descarregam transportando íons de lítio para frente e para trás entre dois eletrodos, um ânodo e um cátodo. Quanto mais íons de lítio os eletrodos são capazes de absorver e liberar, mais energia a bateria pode armazenar.

Um problema que assola os materiais de baterias comerciais de hoje é que eles só são capazes de liberar cerca de metade dos íons de lítio que contêm. Uma solução promissora é empilhar cátodos com íons de lítio extras, permitindo que armazenem mais energia na mesma quantidade de espaço. Mas por algum motivo, cada novo ciclo de carga e descarga retira lentamente esses cátodos ricos em lítio de sua voltagem e capacidade.

Um novo estudo fornece um modelo abrangente deste processo, identificar o que dá origem a isso e como, em última análise, leva à queda da bateria. Liderado por pesquisadores da Universidade de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e do Lawrence Berkeley National Laboratory, foi publicado hoje em Materiais da Natureza .

"Esta pesquisa abordou muitos conceitos errôneos na área, "diz o líder do estudo William Gent, um bolsista Siebel da Universidade de Stanford e vencedor de uma bolsa de doutorado em fonte de luz avançada e fundição molecular no Laboratório de Berkeley. "Há um longo caminho a percorrer, mas agora temos um entendimento básico das propriedades que levam a esse processo que nos ajudará a controlar seu poder, em vez de apenas atacá-lo no escuro. "

Absorvendo

O ciclo de lítio através de uma bateria é como um relé de esponja, uma série de piqueniques e churrascos no quarto de julho que desafia os participantes a transferir água de um balde para outro usando apenas uma esponja. Quanto mais absorvente for a esponja, quanto mais água pode ser espremida no segundo balde.

Os cátodos de bateria ricos em lítio são como esponjas superabsorventes, capaz de absorver quase duas vezes mais íons de lítio do que os cátodos comerciais, empacotando até duas vezes a energia na mesma quantidade de espaço. Isso poderia permitir baterias menores de telefone e veículos elétricos que viajam mais longe entre as cargas.

A maioria dos cátodos de bateria de íon de lítio contém camadas alternadas de lítio e óxidos de metal de transição - elementos como níquel ou cobalto combinados com oxigênio. Em baterias comerciais, cada vez que um átomo de lítio sai do cátodo para o ânodo, um elétron é retirado de um átomo de metal de transição. Esses elétrons criam a corrente elétrica e a voltagem necessárias para carregar o material.

Mas algo diferente acontece com as baterias ricas em lítio.

"Uma característica incomum dos cátodos ricos em lítio é que o elétron vem do oxigênio, e não do metal de transição, "diz Michael Toney, um distinto cientista da equipe do SLAC e um co-autor do artigo. "Este processo, chamado de oxidação de oxigênio, permite que os cátodos extraiam cerca de 90 por cento do lítio a uma voltagem alta o suficiente para aumentar a energia armazenada na bateria. "

Caindo aos pedaços

Mas imagine no relé de esponja que a cada imersão subsequente, a estrutura da esponja muda:as fibras enrijecem e se agrupam, consumindo o espaço vazio que torna o material tão eficiente na absorção de água. A oxidação do oxigênio faz algo semelhante. O estudo anterior dos autores, publicado em Nature Communications , mostrou que toda vez que íons de lítio saem do cátodo para o ânodo, alguns átomos de metal de transição entram furtivamente para tomar seu lugar e a estrutura atômica do cátodo torna-se um pouco mais confusa. A estrutura em camadas essencial para o desempenho do cátodo lentamente se desfaz, minando sua tensão e capacidade.

Neste novo estudo, os pesquisadores mostraram que isso ocorre porque arrancar o elétron do oxigênio faz com que ele queira formar outra ligação e os átomos do metal de transição precisam se mover para acomodar essa ligação, mudando a estrutura atômica.

"Este é o primeiro artigo que fornece um modelo completo de por que essas coisas estão relacionadas e de onde vêm muitas das propriedades incomuns do cátodo rico em lítio, "diz Jihyun Hong, um pós-doutorado em Stanford e SLAC, agora no Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia (KIST).

Aproveitando o efeito

Toney diz que foi necessária a combinação de teoria e muitos métodos experimentais, feito em Stanford Synchrotron Light Source (SSRL), bem como em Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) e Molecular Foundry, para desemaranhar este problema complicado.

Essa combinação permitiu que a equipe demonstrasse de forma conclusiva a forte força motriz por trás das mudanças na configuração de ligação do cátodo durante a oxidação do oxigênio. O próximo passo, Toney diz, é encontrar maneiras de produzir essas mudanças sem interromper totalmente a estrutura cristalina do cátodo.

"Como a oxidação do oxigênio dá origem a uma densidade de energia extra, ser capaz de entender e controlar é potencialmente uma virada de jogo em veículos elétricos, "diz William Chueh, Professor Assistente de Ciências dos Materiais em Stanford, que co-liderou o estudo. "Até aqui, o progresso neste espaço tem sido amplamente incremental, com melhorias de apenas alguns por cento ao ano. Se pudermos encontrar uma maneira de fazer isso funcionar, seria um grande passo em frente no sentido de tornar esta tecnologia prática. "