Construir uma bateria de íon-lítio melhor envolve lidar com uma miríade de fatores simultaneamente, desde manter o cátodo da bateria eletricamente e ionicamente condutivo até garantir que a bateria permaneça segura após muitos ciclos.

Em uma nova descoberta, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram um novo revestimento catódico usando uma técnica de deposição de vapor químico oxidativo que pode ajudar a resolver esses e vários outros problemas potenciais com baterias de íon-lítio em um só golpe.

"O revestimento que descobrimos atinge realmente cinco ou seis coelhos com uma cajadada". Khalil Amine, Argonne distinto colega e cientista de bateria.

Na pesquisa, Amine e seus colegas pesquisadores pegaram partículas do material catódico de níquel-manganês-cobalto (NMC) pioneiro de Argonne e as encapsularam com um polímero contendo enxofre chamado PEDOT. Este polímero fornece ao cátodo uma camada de proteção do eletrólito da bateria à medida que a bateria é carregada e descarregada.

Ao contrário dos revestimentos convencionais, que apenas protegem a superfície externa das partículas de cátodo de tamanho mícron e deixam o interior vulnerável a rachaduras, o revestimento PEDOT tinha a capacidade de penetrar no interior da partícula catódica, adicionando uma camada adicional de proteção.

Além disso, embora o PEDOT evite a interação química entre a bateria e o eletrólito, ele permite o transporte necessário de íons de lítio e elétrons de que a bateria precisa para funcionar.

"Este revestimento é essencialmente amigável a todos os processos e produtos químicos que fazem a bateria funcionar e hostil a todas as reações potenciais que fariam com que a bateria se degradasse ou funcionasse mal, "disse o químico Argonne Guiliang Xu, o primeiro autor da pesquisa.

O revestimento também evita em grande parte outra reação que faz com que o cátodo da bateria seja desativado. Nesta reação, o material do cátodo se converte em outra forma chamada espinélio. "A combinação de quase nenhuma formação de espinélio com suas outras propriedades torna este revestimento um material muito interessante, "Amine disse.

O material PEDOT também demonstrou a capacidade de prevenir a liberação de oxigênio, um fator importante para a degradação de materiais catódicos NMC em alta tensão. "Este revestimento PEDOT também foi capaz de suprimir a liberação de oxigênio durante o carregamento, o que leva a uma melhor estabilidade estrutural e também melhora a segurança, "Amine disse.

Amine indicou que os cientistas de baterias provavelmente poderiam aumentar o revestimento para uso em baterias contendo NMC ricas em níquel. "Este polímero já existe há um tempo, mas ainda ficamos surpresos ao ver que tem todos os efeitos encorajadores que tem, " ele disse.

Com o revestimento aplicado, os pesquisadores acreditam que as baterias contendo NMC podem funcionar em tensões mais altas - aumentando assim sua produção de energia - ou ter uma vida útil mais longa, ou ambos.

Para realizar a pesquisa, os cientistas contaram com duas instalações do DOE Office of Science User, localizadas em Argonne:a Advanced Photon Source (APS) e o Center for Nanoscale Materials (CNM). As medições de difração de raios-X de alta energia in situ foram feitas na linha de luz 11-ID-C do APS, e litografia por feixe de íons focalizado e microscopia eletrônica de transmissão foram realizadas no CNM.

Um artigo baseado no estudo, "Construir camadas protetoras ultraconformadas em partículas secundárias e primárias de cátodos de óxido de metal de transição de lítio em camadas, "apareceu na edição online de 13 de maio de Nature Energy .