Uma equipe de pesquisa composta pelo Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS) e pela SoftBank Corp. descobriu que a histerese de tensão em Li₂ RuO₃ —um material de cátodo de bateria recarregável de alta densidade de energia—é causado por diferenças nas fases cristalinas intermediárias formadas durante os processos de carga e descarga. O estudo foi publicado em Energy Storage Materials .



A histerese de tensão é um fenômeno prejudicial às baterias de íons de lítio (Li), nas quais a tensão de descarga se torna significativamente menor que a tensão de carga. Esses resultados revelaram um mecanismo causador de histerese de tensão inconsistente com a teoria convencional.

Materiais de eletrodos ricos em lítio são capazes de armazenar maiores quantidades de íons de lítio do que materiais catódicos de baterias de íons de lítio convencionais (por exemplo, LiCoO₂ ), e íons Li podem ser extraídos e inseridos de forma estável neles. Além disso, a capacidade energética destes materiais (> 300 mAh/g) é aproximadamente o dobro da dos materiais catódicos convencionais.

Devido a essas características desejáveis, materiais de eletrodos ricos em Li têm sido pesquisados ​​como candidatos viáveis ​​para materiais catódicos de baterias de íons de lítio de alta densidade e próxima geração. No entanto, eles também têm uma desvantagem:baixa eficiência energética de carga/descarga devido à grande histerese de tensão que ocorre durante a carga e descarga.

Tem sido amplamente aceito pela comunidade científica que a histerese de tensão em materiais de eletrodos ricos em Li resulta de mudanças irreversíveis em suas estruturas cristalinas durante a carga e a descarga. Esta equipe de pesquisa se concentrou em Li₂ RuO₃ como um modelo de material de eletrodo rico em Li e observou de perto mudanças em sua estrutura cristalina enquanto estava sendo carregado e descarregado.

Descobriu-se que sua estrutura cristalina muda de forma reversível, não irreversível - ela recuperou sua estrutura cristalina de pré-carga inicial no final da descarga subsequente. Durante este ciclo de carga/descarga, foi observada histerese de tensão em Li₂ RuO₃ apesar da ausência de alterações irreversíveis na estrutura cristalina - um resultado contrário à teoria convencional.

A equipe então analisou de perto as mudanças na estrutura cristalina em um Li₂ RuO₃ eletrodo enquanto ele estava sendo carregado e descarregado usando vários instrumentos analíticos avançados. Estas análises revelaram uma discrepância na fase cristalina intermediária formada durante os processos de carga e descarga causando a histerese de tensão. Em outras palavras, a histerese de tensão dentro de um material de eletrodo rico em Li parece ser atribuída a diferentes vias de reação, e não a mudanças irreversíveis na estrutura cristalina.

Com base nesses resultados, a equipe de pesquisa planeja avaliar materiais de eletrodos ricos em Li enquanto se concentra nas vias de reação química durante os ciclos de carga e descarga, além de medir a histerese de tensão. Espera-se que esta abordagem acelere o desenvolvimento de materiais de eletrodo ricos em Li que satisfaçam os requisitos de alta capacidade e alta eficiência energética de carga/descarga.

Mais informações: Marcela Calpa et al, Histerese de tensão oculta em uma via de reação assimétrica, Materiais de armazenamento de energia (2023). DOI:10.1016/j.ensm.2023.103051
Fornecido pelo Instituto Nacional de Ciência de Materiais