Uma tecnologia promissora em desenvolvimento por grandes fabricantes de baterias tornou-se ainda mais atraente, graças aos pesquisadores que deram uma olhada sem precedentes em uma barreira importante para melhorar, baterias de íon de lítio de maior duração.

Cientistas do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA relatam novas descobertas sobre como fazer um cristal único, cátodo rico em níquel, mais resistente e eficiente. O trabalho da equipe no cátodo, um componente crítico nas baterias de íon-lítio que são comuns em veículos elétricos hoje, aparece na edição de 11 de dezembro da revista Ciência .

Pesquisadores de todo o mundo estão trabalhando para criar baterias que forneçam mais energia, duram mais e são menos caros de produzir. Baterias de íon de lítio aprimoradas são críticas para uma adoção mais ampla de veículos elétricos.

Os desafios são muitos. A aparência simples de uma bateria desmente sua complexidade, e controlar as complexas interações moleculares internas é essencial para que o dispositivo funcione adequadamente. Reações químicas constantes cobram seu preço, limitando a duração de uma bateria e influenciando seu tamanho, custo e outros fatores.

A promessa de um cátodo rico em níquel:mais capacidade de energia

Os cientistas estão trabalhando em maneiras de armazenar mais energia nos materiais do cátodo, aumentando o conteúdo de níquel. O níquel está na prancheta de fabricantes de baterias de íon de lítio em grande parte devido ao seu custo relativamente baixo, ampla disponibilidade e baixa toxicidade em comparação com outros materiais importantes da bateria, como o cobalto.

"Materiais catódicos ricos em níquel têm potencial real para armazenar mais energia, "disse Jie Xiao, autor correspondente do artigo e líder do grupo do programa de pesquisa de baterias do PNNL. "Mas a implantação em grande escala tem sido um desafio."

Embora o níquel seja uma grande promessa, em grandes quantidades, pode causar problemas nas baterias. Quanto mais níquel na estrutura do material, menos estável é o cátodo. O alto teor de níquel pode aumentar as reações colaterais indesejadas, danificando o material e dificultando o armazenamento e o manuseio.

Explorar todos os benefícios de mais níquel e, ao mesmo tempo, minimizar as desvantagens é um desafio.

Atualmente, o cátodo rico em níquel mais comum está na forma de policristais - agregados de muitos nanocristais em uma partícula maior. Isso traz vantagens para armazenar e descarregar energia mais rapidamente. Mas os policristais às vezes se rompem durante ciclos repetidos. Isso pode deixar grande parte da área de superfície exposta ao eletrólito, acelerando reações químicas indesejadas induzidas por alto teor de níquel e gerando gás. Esse dano irreversível resulta em uma bateria com um cátodo rico em níquel que falha mais rapidamente e levanta questões de segurança.

De monocristais, cubos de gelo e baterias de íon-lítio

Cientistas como Xiao estão tentando contornar muitos desses problemas criando um único cristal, cátodo rico em níquel. Os pesquisadores do PNNL desenvolveram um processo para cultivar cristais de alto desempenho em sais fundidos - cloreto de sódio, sal de mesa comum - em alta temperatura.

Qual é a vantagem de um único cristal em comparação com um material policristalino? Pense em manter a comida fresca enquanto acampa. Um bloco sólido de gelo derrete muito mais lentamente do que a mesma quantidade de gelo que vem em cubos pequenos; o bloco de gelo é mais resistente a danos causados ​​por altas temperaturas e outras forças externas.

É semelhante com os cátodos ricos em níquel:um agregado de pequenos cristais é muito mais vulnerável ao ambiente do que um único cristal sob certas condições, especialmente quando há alto teor de níquel, uma vez que o níquel é propenso a induzir reações químicas indesejáveis. Hora extra, com ciclos de bateria repetidos, os agregados são finalmente pulverizados, arruinando a estrutura do cátodo. Isso não é tanto um problema quando a quantidade de níquel no cátodo é menor; sob tais condições, um cátodo policristalino contendo níquel oferece alta potência e estabilidade. O problema se torna mais pronunciado, no entanto, quando os cientistas criam um cátodo com mais níquel - um cátodo verdadeiramente rico em níquel.

Microfissuras do cátodo reversíveis, evitável

A equipe PNNL descobriu uma razão pela qual um único cristal, O cátodo rico em níquel se quebra:é devido a um processo conhecido como deslizamento de cristal, onde um cristal começa a se quebrar, levando a microfissuras. Eles descobriram que o deslizamento é parcialmente reversível sob certas condições e propuseram maneiras de evitar os danos por completo.

"Com o novo entendimento fundamental, poderemos evitar o deslizamento e as microfissuras no cristal único. Isso é diferente do dano na forma policristalina, onde as partículas são pulverizadas em um processo que não é reversível, "disse Xiao.

Acontece que os movimentos de deslizamento dentro das camadas da estrutura do cristal estão na raiz das microfissuras. As camadas se movem para frente e para trás, como cartas em um baralho à medida que são embaralhadas. O deslizamento ocorre conforme a bateria carrega e descarrega - os íons de lítio partem e retornam ao cátodo, esticando o cristal levemente a cada vez. Ao longo de muitos ciclos, o deslizamento repetido resulta em microfissuras.

A equipe de Xiao aprendeu que o processo pode se reverter parcialmente por meio das ações naturais dos átomos de lítio, que criam tensões em uma direção quando os íons entram na rede cristalina e na direção oposta quando eles saem. Mas as duas ações não se cancelam completamente, e com o tempo, ocorrerão microfissuras. É por isso que os monocristais falham, embora eles não se dividam em pequenas partículas como suas contrapartes policristalinas.

A equipe está perseguindo várias estratégias para evitar o planeio. Os pesquisadores descobriram que operar a bateria em uma voltagem comum - cerca de 4,2 volts - minimiza os danos enquanto ainda está dentro da faixa normal de baterias de íon de lítio para veículos elétricos. A equipe também prevê que manter o tamanho de um único cristal abaixo de 3,5 mícrons pode evitar danos mesmo em tensões mais altas. E a equipe está explorando maneiras de estabilizar a estrutura do cristal para acomodar melhor a chegada e a partida dos íons de lítio.

A equipe estima que o cristal único, O cátodo rico em níquel embala pelo menos 25% a mais de energia em comparação com as baterias de íon-lítio usadas nos veículos elétricos atuais.

Agora, Pesquisadores do PNNL liderados por Xiao estão trabalhando com a Albemarle Corporation, uma grande empresa de fabricação de especialidades químicas e um dos principais produtores mundiais de lítio para baterias de veículos elétricos. Em uma colaboração financiada pelo DOE, a equipe pesquisará os impactos de sais de lítio avançados no desempenho de materiais catódicos ricos em níquel de cristal único, demonstrando o processo em escala de quilograma.