Uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade da Califórnia em San Diego descobriu a causa raiz do fracasso das baterias de metal de lítio - pedaços de depósitos de metal de lítio se desprendem da superfície do ânodo durante a descarga e ficam presos como lítio "morto" ou inativo que o a bateria não pode mais acessar.

A descoberta, publicado em 21 de agosto em Natureza , desafia a crença convencional de que as baterias de metal de lítio falham devido ao crescimento de uma camada, chamada de interfase de eletrólito sólido (SEI), entre o ânodo de lítio e o eletrólito. Os pesquisadores fizeram sua descoberta desenvolvendo uma técnica para medir a quantidade de espécies de lítio inativas no ânodo - uma inovação no campo da pesquisa de baterias - e estudando suas micro e nanoestruturas.

As descobertas podem abrir caminho para trazer baterias recarregáveis ​​de metal de lítio do laboratório para o mercado.

"Ao descobrir a principal causa subjacente da falha da bateria de metal de lítio, podemos racionalmente criar novas estratégias para resolver o problema, "disse o primeiro autor Chengcheng Fang, um Ph.D. em ciência e engenharia de materiais. estudante da UC San Diego. "Nosso objetivo final é habilitar uma bateria de metal de lítio comercialmente viável."

Baterias de metal de lítio, que têm ânodos feitos de metal de lítio, são uma parte essencial da próxima geração de tecnologias de bateria. Eles prometem o dobro da densidade de energia das baterias de íon de lítio atuais (que geralmente têm ânodos feitos de grafite), para que durassem mais e pesassem menos. Isso poderia potencialmente dobrar o alcance dos veículos elétricos.

Mas um grande problema com as baterias de metal de lítio é a baixa eficiência de Coulombic, o que significa que eles passam por um número limitado de ciclos antes de parar de funcionar. Isso porque, conforme a bateria dá um ciclo, seus estoques de lítio ativo e eletrólito se esgotam.

Os pesquisadores da bateria há muito suspeitam que isso se deve ao crescimento da camada de interfase do eletrólito sólido (SEI) entre o ânodo e o eletrólito. Mas embora os pesquisadores tenham desenvolvido várias maneiras de controlar e estabilizar a camada SEI, eles ainda não resolveram totalmente os problemas com baterias de metal de lítio, explicou o autor sênior Y. Shirley Meng, professor de nanoengenharia da UC San Diego.

“As células ainda falham porque muito lítio inativo está se formando nessas baterias. Portanto, há outro aspecto importante que está sendo esquecido, "Meng disse.

Os culpados, Meng, Fang e seus colegas descobriram, são depósitos de metal de lítio que se desprendem do ânodo quando a bateria está descarregando e ficam presos na camada SEI. Lá, eles perdem sua conexão elétrica com o ânodo, tornando-se lítio inativo que não pode mais ser reciclado pela bateria. Este lítio aprisionado é em grande parte responsável por diminuir a eficiência coulômbica da célula.

Medindo os ingredientes do lítio inativo

Os pesquisadores identificaram o culpado criando um método para medir quanto metal de lítio não reagido fica preso como lítio inativo. Água é adicionada a um frasco selado contendo uma amostra de lítio inativo que se formou em uma meia-célula ciclada. Quaisquer pedaços de metal de lítio que não reagiram reagem quimicamente com a água para produzir gás hidrogênio. Ao medir a quantidade de gás produzida, os pesquisadores podem calcular a quantidade de metal de lítio preso.

O lítio inativo também é feito de outro componente:íons de lítio, que são os blocos de construção da camada SEI. Sua quantidade também pode ser calculada simplesmente subtraindo a quantidade de metal de lítio que não reagiu da quantidade total de lítio inativo.

Em testes em meias-células de metal de lítio, os pesquisadores descobriram que o metal de lítio não reagido é o principal ingrediente do lítio inativo. Quanto mais se forma, quanto menor for a redução da eficiência Coulombic. Enquanto isso, a quantidade de íons de lítio da camada SEI permanece consistentemente baixa. Esses resultados foram observados em oito eletrólitos diferentes.

"Esta é uma descoberta importante porque mostra que o produto principal da falha das baterias de metal de lítio é o lítio metálico não reagido em vez do SEI, "Fang disse." Este é um método confiável para quantificar os dois componentes do lítio inativo com altíssima precisão, que nenhuma outra ferramenta de caracterização foi capaz de fazer. "

"A natureza química agressiva do metal de lítio tornou essa tarefa muito desafiadora. As reações parasitárias de muitos tipos diferentes ocorrem simultaneamente no metal de lítio, tornando quase impossível diferenciar esses diferentes tipos de lítio inativo, "disse Kang Xu, cuja equipe no Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA forneceu uma das formulações de eletrólitos avançadas para testar o método. "A metodologia avançada estabelecida neste trabalho fornece uma ferramenta muito poderosa para fazer isso de forma precisa e confiável."

Os pesquisadores esperam que seu método possa se tornar o novo padrão para avaliar a eficiência em baterias de metal de lítio.

"Um dos problemas que os pesquisadores de baterias enfrentam é que as condições de teste são muito diferentes entre os laboratórios, por isso é difícil comparar dados. É como comparar maçãs com laranjas. Nosso método pode permitir que os pesquisadores determinem a quantidade de lítio inativo que se forma após o teste eletroquímico, independentemente do tipo de eletrólito ou formato de célula que usam, "Meng disse.

Um olhar mais atento sobre o lítio inativo

Ao estudar as micro e nanoestruturas de depósitos de lítio em diferentes eletrólitos, os pesquisadores respondem a outra questão importante:por que alguns eletrólitos melhoram a eficiência coulombica e outros não.

A resposta tem a ver com a forma como o lítio se deposita no ânodo quando a célula está carregando. Alguns eletrólitos fazem com que o lítio forme micro e nanoestruturas que aumentam o desempenho da célula. Por exemplo, em um eletrólito especialmente projetado pelos colaboradores de Meng na General Motors, depósitos de lítio tão densos, pedaços em forma de coluna. Este tipo de estrutura faz com que menos metal de lítio não reagido fique preso na camada SEI como lítio inativo durante a descarga. O resultado é uma eficiência Coulombic de 96 por cento para o primeiro ciclo.

"Este excelente desempenho é atribuído à microestrutura colunar formada na superfície do coletor de corrente com tortuosidade mínima, o que melhora significativamente a conexão estrutural, "disse Mei Cai, cuja equipe da General Motors desenvolveu o eletrólito avançado que permitiu o depósito de lítio com a microestrutura "ideal".

Em contraste, quando um eletrólito de carbonato comercial é usado, depósitos de lítio com uma torção, morfologia semelhante a bigodes. Esta estrutura faz com que mais metal de lítio fique preso no SEI durante o processo de separação. A eficiência coulômbica diminui para 85 por cento.

Seguindo em frente, a equipe propõe estratégias para controlar a deposição e remoção do metal de lítio. Isso inclui a aplicação de pressão nas pilhas de eletrodos; criar camadas SEI uniformes e mecanicamente elásticas; e usando coletores de corrente 3-D.

"O controle da micro e nanoestrutura é a chave, "Meng disse." Esperamos que nossos insights estimulem novas direções de pesquisa para levar as baterias recarregáveis ​​de metal de lítio para o próximo nível. "