Uma equipe de cientistas, incluindo pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven e SLAC National Accelerator Laboratory, do Departamento de Energia dos EUA (DOE) identificaram as causas da degradação em um material catódico para baterias de íon-lítio, bem como possíveis soluções. Suas descobertas, publicado em 7 de março em Materiais Funcionais Avançados , poderia levar ao desenvolvimento de baterias mais acessíveis e de melhor desempenho para veículos elétricos.

Em busca de materiais catódicos de alto desempenho

Para que os veículos elétricos tenham a mesma confiabilidade que os veículos a gás, eles precisam de baterias leves, porém potentes. As baterias de íon-lítio são o tipo mais comum de bateria encontrada em veículos elétricos hoje, mas seu alto custo e vida útil limitada são limitações para a implantação generalizada de veículos elétricos. Para superar esses desafios, cientistas em muitos laboratórios nacionais do DOE estão pesquisando maneiras de melhorar a bateria de íon-lítio tradicional.

As baterias são compostas por um ânodo, um cátodo, e um eletrólito, mas muitos cientistas consideram o cátodo o desafio mais urgente. Os pesquisadores da Brookhaven fazem parte de um consórcio patrocinado pelo DOE chamado Battery500, um grupo que está trabalhando para triplicar a densidade de energia das baterias que alimentam os veículos elétricos de hoje. Um de seus objetivos é otimizar uma classe de materiais catódicos chamados materiais em camadas ricos em níquel.

"Os materiais em camadas são muito atraentes porque são relativamente fáceis de sintetizar, mas também porque têm alta capacidade e densidade de energia, "disse o químico de Brookhaven Enyuan Hu, um autor do artigo.

O óxido de lítio-cobalto é um material em camadas que tem sido usado como cátodo para baterias de íon-lítio por muitos anos. Apesar de sua aplicação bem-sucedida em pequenos sistemas de armazenamento de energia, como eletrônicos portáteis, o custo e a toxidade do cobalto são barreiras para o uso do material em sistemas maiores. Agora, os pesquisadores estão investigando como substituir o cobalto por elementos mais seguros e acessíveis sem comprometer o desempenho do material.

"Escolhemos um material em camadas rico em níquel porque o níquel é menos caro e tóxico que o cobalto, "Hu disse." No entanto, o problema é que os materiais em camadas ricos em níquel começam a se degradar após vários ciclos de carga-descarga em uma bateria. Nosso objetivo é identificar a causa dessa degradação e fornecer possíveis soluções. "

Determinando a causa do enfraquecimento da capacidade

Os materiais do cátodo podem se degradar de várias maneiras. Para materiais ricos em níquel, o problema é principalmente o enfraquecimento da capacidade - uma redução na capacidade de carga e descarga da bateria após o uso. Para compreender totalmente este processo em seus materiais em camadas ricos em níquel, os cientistas precisaram usar várias técnicas de pesquisa para avaliar o material de diferentes ângulos.

"Este é um material muito complexo. Suas propriedades podem mudar em diferentes escalas de comprimento durante o ciclismo, "Hu disse." Precisávamos entender como a estrutura do material mudou durante o processo de carga-descarga, tanto fisicamente - na escala atômica - quanto quimicamente, que envolveu vários elementos:níquel, cobalto, manganês, oxigênio, e lítio. "

Para fazer isso, Hu e seus colegas caracterizaram o material em várias instalações de pesquisa, incluindo duas fontes de luz síncrotron - a National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) em Brookhaven e a Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) em SLAC. Ambos são instalações do usuário do DOE Office of Science.

"Em cada escala de comprimento neste material, de angstroms a nanômetros e micrômetros, algo está acontecendo durante o processo de carga e descarga da bateria, "disse o co-autor Eli Stavitski, cientista da linha de luz na linha de luz Inner Shell Spectroscopy (ISS) do NSLS-II. "Usamos uma técnica chamada espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) aqui na ISS para revelar uma imagem atômica do ambiente ao redor dos íons metálicos ativos no material."

Os resultados dos experimentos XAS no NSLS-II levaram os pesquisadores a concluir que o material tinha uma estrutura robusta que não liberava oxigênio do volume, desafiando crenças anteriores. Em vez de, os pesquisadores identificaram que a cepa e a desordem local estavam principalmente associadas ao níquel.

Para investigar mais, a equipe conduziu experimentos de microscopia de raios-X de transmissão (TXM) no SSRL, mapear todas as distribuições de produtos químicos no material. Esta técnica produz um grande conjunto de dados, então, os cientistas da SSRL aplicaram o aprendizado de máquina para classificar os dados.

"Esses experimentos produziram uma grande quantidade de dados, que é onde nossa contribuição de computação entrou, "disse o co-autor Yijin Liu, um cientista da equipe do SLAC. "Não teria sido prático para os humanos analisar todos esses dados, por isso, desenvolvemos uma abordagem de aprendizado de máquina que pesquisava os dados e julgava quais locais eram problemáticos. Isso nos disse onde olhar e guiou nossa análise. "

Hu disse, "A principal conclusão que tiramos deste experimento foi que havia uma falta de homogeneidade considerável nos estados de oxidação dos átomos de níquel em toda a partícula. Algum níquel dentro da partícula manteve um estado oxidado, e provavelmente desativado, enquanto o níquel na superfície foi irreversivelmente reduzido, diminuindo sua eficiência. "

Experimentos adicionais revelaram pequenas rachaduras formadas na estrutura do material.

"Durante o processo de carga e descarga de uma bateria, o material do cátodo se expande e encolhe, criando estresse, "Disse Hu." Se esse estresse puder ser liberado rapidamente, não haverá problema, mas, se não puder ser liberado de forma eficiente, então podem ocorrer rachaduras. "

Os cientistas acreditavam que poderiam mitigar esse problema sintetizando um novo material com uma estrutura oca. Eles testaram e confirmaram essa teoria experimentalmente, bem como por meio de cálculos. Seguindo em frente, a equipe planeja continuar desenvolvendo e caracterizando novos materiais para aumentar sua eficiência.

“Trabalhamos em um ciclo de desenvolvimento, "Stavitski disse." Você desenvolve o material, em seguida, você o caracteriza para obter uma visão sobre seu desempenho. Então você volta a um químico sintético para desenvolver uma estrutura de material avançada, e então você caracteriza isso novamente. É um caminho para a melhoria contínua. "

Adicionalmente, conforme o NSLS-II continua a desenvolver suas capacidades, os cientistas planejam realizar experimentos TXM mais avançados nesses tipos de materiais, aproveitando a luz ultrabright do NSLS-II.