Embora os tanques de gás possam ser enchidos em questão de minutos, carregar a bateria de um carro elétrico leva muito mais tempo. Para nivelar o campo de jogo e tornar os veículos elétricos mais atraentes, os cientistas estão trabalhando em tecnologias de carregamento rápido.

O carregamento rápido é muito importante para veículos elétricos, "disse o cientista de baterias Daniel Abraham do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).?" Gostaríamos de poder carregar a bateria de um veículo elétrico em menos de 15 minutos, e ainda mais rápido, se possível. "

"Ao ver exatamente como o lítio é distribuído dentro do eletrodo, estamos ganhando a capacidade de determinar com precisão a maneira não homogênea em que uma bateria envelhece. "- Daniel Abraham, Cientista de bateria Argonne

O principal problema com o carregamento rápido ocorre durante o transporte de íons de lítio do cátodo positivo para o ânodo negativo. Se a bateria for carregada lentamente, os íons de lítio extraídos do cátodo gradualmente se encaixam entre os planos dos átomos de carbono que compõem o ânodo de grafite - um processo conhecido como intercalação de lítio.

Mas quando esse processo é acelerado, o lítio pode acabar se depositando na superfície da grafite como metal, que é chamado de revestimento de lítio. ?"Quando isso acontece, o desempenho da bateria sofre drasticamente, porque o lítio revestido não pode ser movido de um eletrodo para o outro, "Abraham disse.

De acordo com Abraham, este metal de lítio irá reduzir quimicamente o eletrólito da bateria, causando a formação de uma interfase de eletrólito sólido que amarra os íons de lítio para que eles não possam ser transportados entre os eletrodos. Como resultado, menos energia pode ser armazenada na bateria ao longo do tempo.

Para estudar o movimento dos íons de lítio dentro da bateria, Abraham fez parceria com o pesquisador de pós-doutorado Koffi Pierre Yao e o físico de raios-X de Argonne John Okasinski na Advanced Photon Source do laboratório, um DOE Office of Science User Facility. Lá, Okasinski essencialmente criou uma imagem 2D da bateria usando raios-X para criar imagens de cada fase do grafite litiado no ânodo.

Ao obter essa visão, os pesquisadores foram capazes de quantificar com precisão a quantidade de lítio em diferentes regiões do ânodo durante o carregamento e o descarregamento da bateria.

No estudo, os cientistas estabeleceram que o lítio se acumula em regiões próximas ao separador da bateria em condições de carregamento rápido.

"Você pode esperar que apenas pelo bom senso, "Abraham explicou.?" Mas, ao ver exatamente como o lítio é distribuído dentro do eletrodo, estamos ganhando a capacidade de determinar com precisão a maneira não homogênea em que uma bateria envelhece. "

Para ver seletivamente uma determinada região no coração da bateria, os pesquisadores usaram uma técnica chamada difração de raios-X por dispersão de energia. Em vez de variar o ângulo do feixe para alcançar áreas específicas de interesse, os pesquisadores variaram o comprimento de onda da luz incidente.

Usando raios-X, Os cientistas de Argonne foram capazes de determinar as estruturas cristalinas presentes nas camadas de grafite. Como o grafite é um material cristalino, a inserção de lítio faz com que a rede de grafite se expanda em vários graus. Este inchaço das camadas é perceptível como uma diferença nos picos de difração, Okasinski disse, e as intensidades desses picos fornecem o conteúdo de lítio na grafite.

Embora esta pesquisa se concentre em pequenas baterias de célula tipo moeda, Okasinski disse que estudos futuros podem examinar o comportamento de litiação em baterias de células de bolsa maiores, como aqueles encontrados em smartphones e veículos elétricos.

Um artigo baseado no estudo, "Quantificar gradientes de concentração de lítio no eletrodo de grafite de células de íon-lítio usando difração de raios-X dispersiva de energia operando, "apareceu na edição online de 9 de janeiro da Energia e Ciência Ambiental .