O pesquisador da Canadian Light Source (CLS), Toby Bond, usa raios-X para ajudar a projetar baterias poderosas de veículos elétricos com vida útil mais longa. Sua pesquisa, publicada no Journal of the Electrochemical Society , mostra como os ciclos de carga/descarga das baterias causam danos físicos, levando a um armazenamento de energia reduzido. Este novo trabalho aponta para uma ligação entre as rachaduras que se formam no material da bateria e o esgotamento de líquidos vitais que carregam carga.
Bond usa as instalações do BMIT na Canadian Light Source da Universidade de Saskatchewan para produzir tomografias computadorizadas detalhadas do interior das baterias. Trabalhando com o Dr. Jeff Dahn na Dalhousie University, ele se especializou em baterias para veículos elétricos, onde o imperativo da pesquisa é reunir o máximo de energia possível em um dispositivo leve.

“Uma grande desvantagem de armazenar mais energia é que, geralmente, quanto mais energia você acumula, mais rápido a bateria se degradará”, diz Bond.

Nas baterias de íons de lítio, isso ocorre porque o carregamento força fisicamente os íons de lítio entre outros átomos no material do eletrodo, separando-os. Adicionar mais carga causa mais crescimento nos materiais, que encolhem quando os íons de lítio saem. Ao longo de muitos ciclos desse crescimento e encolhimento, microfissuras começam a se formar no material, reduzindo lentamente sua capacidade de manter uma carga.

“Isso pode eventualmente fazer com que os materiais da bateria se desfaçam de dentro para fora. “E se causar danos em grande escala dentro da bateria, isso também pode se tornar um problema de segurança”.

Estudar esse problema e como os revestimentos e outros tratamentos são eficazes para detê-lo tem sido importante no campo há muito tempo. Tradicionalmente, as rachaduras que se formam em uma bateria são estudadas desmontando a bateria e observando as partículas individuais sob um microscópio eletrônico. Isso destrói a bateria, por isso não permite que os pesquisadores preservem a estrutura maior e vejam que outros efeitos essa rachadura pode ter no resto da bateria.

Ao usar imagens de raios-X no CLS, Bond diz que os pesquisadores podem estudar esses efeitos no contexto e ver como o cracking causa mudanças no restante da bateria. Neste estudo, os pesquisadores descobriram que, à medida que as micro rachaduras na bateria pioravam, os líquidos na célula eram sugados para o espaço extra entre as rachaduras, o que pode não deixar líquido suficiente para circular.

“Esta é a primeira vez que alguém consegue capturar todos esses efeitos acontecendo juntos em uma bateria em funcionamento”, diz Bond. “Esse esgotamento do eletrólito líquido pode causar sérios problemas, já que qualquer parte da bateria que não recebe líquido suficiente basicamente para de funcionar”.

Neste estudo, Bond e seus colegas estudaram baterias que foram continuamente carregadas e descarregadas em diferentes níveis ao longo dos anos, juntamente com baterias idênticas que não foram usadas. As varreduras de raios-X 3D que eles coletaram usando a luz brilhante e focada do BMIT permitiram que eles vissem com precisão como diferentes materiais foram afetados pelo uso, tanto na escala microscópica quanto em toda a bateria.

Um take-away prático? A equipe descobriu que drenar uma pequena quantidade da bateria causava menos deterioração do que descarregar a bateria completamente. Isso ocorre provavelmente porque uma mudança menor na carga causa menos tensão física nos materiais do eletrodo da bateria ao longo do tempo. É importante entender esse efeito para novas aplicações, como transporte de longa distância, aeronaves elétricas e uso de veículos elétricos estacionados para armazenar e fornecer energia à rede elétrica. Esses cenários geralmente exigem o uso de mais da capacidade total da bateria antes de ser recarregada.

“À medida que começamos a substituir cada vez mais veículos movidos a combustão por veículos elétricos, é realmente importante entender como as baterias se comportarão em diferentes condições”, diz Bond. "É muito emocionante trabalhar nesses problemas, e realmente precisamos de ferramentas como síncrotrons para entender os detalhes do que está acontecendo dentro da bateria quando tentamos novas abordagens". + Explorar mais

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