Espera-se que as baterias de íon-lítio tenham um valor de mercado global de US $ 47 bilhões até 2023. Elas são usadas em inúmeras aplicações, porque eles oferecem densidade de energia relativamente alta (capacidade de armazenamento), alta tensão operacional, longa vida útil e pouco "efeito de memória" - uma redução na capacidade máxima de uma bateria recarregável devido a descargas incompletas em usos anteriores. Contudo, fatores como segurança, o ciclo de carga e descarga e a expectativa de vida operacional continuam a limitar a eficácia das baterias de íon-lítio em aplicações pesadas, como para alimentar veículos elétricos.

Pesquisadores da Escola de Engenharia da Universidade da Virgínia estão empregando técnicas de imagem de nêutrons no Laboratório Nacional Oak Ridge para sondar baterias de íons de lítio e obter informações sobre as características eletroquímicas dos materiais e estruturas das baterias. Sua pesquisa, publicado no Journal of Power Sources , focada em rastrear os processos de litiação e delitiação - ou carga e descarga - em eletrodos de bateria de íon-lítio usando amostras sinterizadas finas e espessas de dois materiais eletroativos, titanato de lítio e óxido de lítio cobalto.

Compreender como o lítio se move nos eletrodos da bateria é importante para projetar baterias que podem carregar e descarregar em taxas mais rápidas. Em algumas baterias, este é o processo mais lento, o que significa que melhorar o movimento do lítio através dos eletrodos pode resultar em baterias que podem ser recarregadas muito mais rapidamente.

"Quando os eletrodos são relativamente grossos, o transporte de íons de lítio através do material poroso e a arquitetura do separador pode limitar as taxas de carga e descarga, "disse Gary Koenig, professor associado de engenharia química na UVA Engineering. "Para desenvolver métodos para melhorar o transporte de íons de lítio através das regiões vazias porosas de um eletrodo preenchidas com eletrólito, precisamos primeiro ser capazes de rastrear o transporte e distribuição dos íons dentro de uma célula durante os processos de carga e descarga. "

De acordo com Koenig, outras técnicas, como difração de raios-X de alta resolução, podem fornecer dados estruturais detalhados durante processos eletroquímicos, mas este método normalmente calcula a média de volumes relativamente grandes do material. De forma similar, A imagem de fase de raios-X pode visualizar as concentrações de sal nos eletrólitos da bateria, mas a técnica requer uma célula espectroquímica especial e só pode acessar informações de composição entre as regiões do eletrodo.

Para obter informações detalhadas em uma área mais ampla, os pesquisadores conduziram seus estudos usando nêutrons na linha de luz de imagens de nêutrons frios no High Flux Isotope Reactor de Oak Ridge.

"O lítio tem um grande coeficiente de absorção de nêutrons, o que significa que os nêutrons que passam por um material são altamente sensíveis às suas concentrações de lítio, "disse Ziyang Nie, autor principal e aluno de pós-graduação no grupo de Koenig. "Demonstramos que poderíamos usar radiografias de nêutrons para rastrear a litiação in situ em cátodos de óxido de metal fino e espesso dentro de células de bateria. Como os nêutrons são altamente penetrantes, não tivemos que construir células personalizadas para a análise e fomos capazes de rastrear o lítio em toda a região ativa contendo eletrodos e eletrólito. "

Comparar o processo de litiação em eletrodos finos e grossos é essencial para auxiliar a compreensão dos efeitos da heterogeneidade - variações locais na mecânica, estrutural, propriedades cinéticas e de transporte - na vida útil da bateria e no desempenho. A heterogeneidade local também pode resultar em corrente de bateria não uniforme, temperaturas, estado de carga e envelhecimento. Tipicamente, conforme a espessura de um eletrodo aumenta, o mesmo ocorre com os efeitos prejudiciais da heterogeneidade no desempenho da bateria. Ainda, se ânodos e cátodos mais espessos pudessem ser usados ​​em baterias sem impactar outros fatores, ajudaria a aumentar a capacidade de armazenamento de energia.

Para os experimentos iniciais, as amostras de eletrodos finos tinham espessuras de 0,738 mm para titanato de lítio e 0,463 mm para óxido de lítio-cobalto, enquanto as amostras de titanato de lítio e óxido de lítio cobalto foram de 0,886 mm e 0,640 mm, respectivamente.

"Nosso objetivo imediato é desenvolver um modelo que nos ajude a entender como modificar a estrutura de um eletrodo, como mudar a forma como o material é orientado ou distribuído, poderia melhorar as propriedades de transporte de íons, "Koenig disse." Ao obter imagens de cada amostra em diferentes pontos no tempo, fomos capazes de criar mapas 2-D de distribuição de lítio. No futuro, planejamos girar nossas amostras dentro do feixe de nêutrons para fornecer informações 3-D que revelarão com mais detalhes como a heterogeneidade afeta o transporte de íons. "