O processo de desenvolvimento de baterias recarregáveis ​​melhores pode ser nebuloso, mas há um forro de alumina.

Uma fina camada de óxido de metal aplicada a cátodos comuns por engenheiros da Brown School of Engineering da Rice University revelou novos fenômenos que poderiam levar a baterias mais adequadas para carros elétricos e armazenamento de energia fora da rede mais robusto.

O estudo na American Chemical Society's Materiais de energia aplicada ACS descreve um mecanismo até então desconhecido pelo qual o lítio fica preso nas baterias, limitando assim o número de vezes que pode ser carregado e descarregado com potência total.

Mas essa característica não diminui a esperança de que, em algumas situações, essas baterias podem ser perfeitas.

O laboratório Rice da engenheira química e biomolecular Sibani Lisa Biswal encontrou um ponto ideal nas baterias que, por não maximizar sua capacidade de armazenamento, pode fornecer um ciclo constante e estável para aplicações que precisam dele.

Biswal disse que as baterias convencionais de íon-lítio utilizam ânodos à base de grafite que têm uma capacidade de menos de 400 miliamperes-hora por grama (mAh / g), mas os ânodos de silício têm potencialmente 10 vezes essa capacidade. Isso tem uma desvantagem:o silício se expande à medida que se liga ao lítio, estressando o ânodo. Ao tornar o silício poroso e limitar sua capacidade a 1, 000 mAh / g, as baterias de teste da equipe forneceram um ciclo estável com capacidade ainda excelente.

"A capacidade máxima coloca muito estresse no material, então esta é uma estratégia para obter capacidade sem o mesmo grau de estresse, "Biswal disse." 1, 000 miliamperes horas por grama ainda é um grande salto. "

A equipe liderada pelo colega de pós-doutorado Anulekha Haridas testou o conceito de emparelhar os porosos, ânodos de silício de alta capacidade (no lugar de grafite) com cátodos de óxido de níquel-manganês e cobalto (NMC) de alta voltagem. As baterias de íon-lítio full cell demonstraram ciclabilidade estável em 1, 000 mAh / g em centenas de ciclos.

Alguns cátodos tinham uma camada de alumina de 3 nanômetros (aplicada via deposição de camada atômica), e alguns não. Aqueles com revestimento de alumina protegeram o cátodo de quebrar na presença de ácido fluorídrico, que se forma se mesmo quantidades mínimas de água invadirem o eletrólito líquido. Os testes mostraram que a alumina também acelerou a velocidade de carregamento da bateria, reduzindo o número de vezes que pode ser carregado e descarregado.

Parece haver um grande aprisionamento como resultado do transporte rápido de lítio através da alumina, Haridas disse. Os pesquisadores já sabiam de possíveis maneiras pelas quais os ânodos de silício prendem o lítio, tornando-o indisponível para alimentar dispositivos, mas ela disse que este é o primeiro relato da própria alumina absorvendo lítio até saturar. Nesse ponto, ela disse, a camada se torna um catalisador para transporte rápido de e para o cátodo.

"Este mecanismo de captura de lítio protege efetivamente o cátodo, ajudando a manter uma capacidade estável e densidade de energia para todas as células, "Haridas disse.

Os co-autores são os alunos de pós-graduação da Rice, Quan Anh Nguyen e Botao Farren Song, e Rachel Blaser, um engenheiro de pesquisa e desenvolvimento da Ford Motor Co. Biswal é professor de engenharia química e biomolecular e de ciência dos materiais e nanoengenharia. O Programa de Pesquisa da Universidade da Ford apoiou a pesquisa.