Pesquisadores liderados por uma equipe da Universidade da Califórnia em San Diego publicaram trabalhos na revista Nature Energy isso explica o que está causando o "desbotamento de voltagem" de redução de desempenho que atualmente assola uma classe promissora de materiais catódicos chamados óxidos em camadas NMC (níquel magnésio cobalto) ricos em lítio.

Esses materiais catódicos têm atraído considerável atenção ao longo dos anos como componentes promissores para baterias recarregáveis ​​melhores para veículos elétricos.

Depois que uma bateria passa por uma série de ciclos de carga e descarga, sua voltagem diminui e a quantidade de energia que pode conter, e liberar mais tarde para uso, também desaparece. A nova pesquisa explica por que isso acontece em materiais catódicos de NMC ricos em lítio. Em particular, os pesquisadores identificaram defeitos em nanoescala ou deslocamentos em materiais catódicos de NMC ricos em lítio à medida que as baterias carregavam em uma faixa de voltagens de até 4,7 volts.

"Os deslocamentos são camadas atômicas extras que não se encaixam na estrutura de cristal perfeitamente periódica, "disse Andrej Singer, o autor principal que realizou este trabalho como pesquisador de pós-doutorado na UC San Diego. "Descobrir esses deslocamentos foi uma grande surpresa:esperávamos que as camadas atômicas extras ocorressem em uma orientação completamente diferente, "disse Singer, que agora faz parte do corpo docente da Cornell University. Ao combinar evidências experimentais com teoria, a equipe de pesquisa concluiu que a nucleação desse tipo específico de deslocamento resulta no enfraquecimento da tensão.

Sabendo a origem da queda de tensão, a equipe mostrou que o tratamento térmico dos materiais catódicos eliminou a maioria dos defeitos e restaurou a voltagem original. Eles colocaram os cátodos tratados termicamente em novas baterias e os testaram em uma faixa de voltagens de até 4,7 volts, demonstrando que o enfraquecimento da tensão foi revertido.

Embora a abordagem do tratamento térmico para reverter os defeitos seja trabalhosa e não é provável que cresça, a abordagem baseada na física e na ciência dos materiais para caracterizar e, em seguida, abordar os defeitos em nanoescala oferece a promessa de encontrar novas soluções para o problema de desvanecimento de tensão.

"Nosso artigo trata principalmente de desvendar o mistério dos deslocamentos que causam o enfraquecimento da voltagem em NMCs ricos em lítio. Ainda não temos uma solução escalável para resolver o problema do enfraquecimento da voltagem em NMCs ricos em lítio, mas estamos progredindo, "disse Shirley Meng, professora de nanoengenharia da UC San Diego. Ela e Oleg Shpyrko, professor de física da UC San Diego, são os autores sênior do novo Nature Energy papel.

"Um dos problemas mais sérios para materiais catódicos de NMC ricos em lítio é o enfraquecimento da tensão, "disse o autor do artigo Minghao Zhang, recém-formado em nanoengenharia, Ph.D. programa na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs, onde agora é pesquisador de pós-doutorado.

O enfraquecimento da tensão reduz a densidade de energia da bateria, o que, por sua vez, limita as aplicações práticas desses materiais, apesar de sua alta densidade de energia nos ciclos iniciais de carga-descarga.

"Nosso trabalho pela primeira vez demonstra claramente que a geração de defeitos e o acúmulo de defeitos na estrutura de materiais NMC ricos em lítio são a origem do enfraquecimento da tensão, "disse Zhang." Com base nesta explicação, projetamos um regime de tratamento térmico e, em seguida, mostramos que os tratamentos térmicos removeram os defeitos na estrutura em massa e restauraram a tensão de saída da bateria. "

Fixando detalhes da bateria

"As soluções de engenharia devem ser baseadas em ciência sólida. Se você não sabe o que está acontecendo, então, suas estratégias de mitigação são menos eficazes. E acho que é isso que tem dificultado esse material, "disse Shirley Meng, professora de nanoengenharia da UC San Diego, referindo-se à falta de clareza de longa data sobre o que está acontecendo na escala nano que está causando o enfraquecimento da tensão nesses materiais catódicos promissores.

Meng, Shpyrko e seus respectivos laboratórios e colaboradores são especialistas em imagens, caracterizar e calcular o que está acontecendo com as baterias, em nanoescala, enquanto eles estão carregando. Sua experiência combinada permite que a equipe obtenha percepções sem precedentes de dados de imagem de raios-X de baterias enquanto elas estão sendo carregadas.

"Ser capaz de obter imagens diretas da estrutura de materiais e dispositivos em condições operacionais e com resolução em nanoescala é um dos grandes desafios em nossa busca para projetar e descobrir novos materiais funcionais, "disse o professor de física da UC San Diego, Oleg Shpyrko." Os esforços de nosso grupo no desenvolvimento de novas técnicas de imagem de raios-X são direcionados ao entendimento fundamental e, em última instância, ao controle da formação de defeitos. Nosso inoperando estudos de imagem indicam novas maneiras de mitigar o enfraquecimento da tensão em materiais de armazenamento de energia de próxima geração. "

Esta colaboração faz parte do trabalho interdisciplinar do Centro de Energia e Energia Sustentável da UC San Diego, onde Shirley Meng atua como Diretora, e Oleg Shpyrko atua como codiretor. A pesquisa no Centro de Energia e Energia Sustentável se estende da pesquisa teórica, passando por experimentos e caracterização de materiais, até o teste do mundo real de dispositivos na microrrede do campus.

Detalhes de pesquisa

No Nature Energy papel, os autores escrevem:"Capturamos diretamente a nucleação de uma rede de deslocamento em nanopartículas primárias de um material LRLO de alta capacidade [um cátodo NMC rico em lítio] durante a carga eletroquímica. Com base na descoberta da formação de defeitos e nos cálculos dos primeiros princípios, identificamos a origem do enfraquecimento da tensão, permitindo-nos projetar e demonstrar experimentalmente um tratamento inovador para restaurar a tensão em LRLO. "

o no local Técnica de imagem difrativa coerente de Bragg, realizado no Argonne National Lab, permite que os pesquisadores visualizem diretamente o interior de uma nanopartícula durante a carga da bateria. As análises e reconstruções da equipe desses dados oferecem percepções sem precedentes sobre o que realmente está acontecendo enquanto as baterias estão sendo carregadas. Os pesquisadores realizaram uma série de estudos observacionais enquanto os materiais da bateria eram carregados em uma faixa de voltagens de 4 volts a 4,7 volts. Em 4,4 volts, os pesquisadores identificaram uma série de defeitos, incluindo borda, parafuso e deslocamentos mistos.

Os pesquisadores também estudaram materiais NMC não ricos em lítio atualmente comercializados e encontraram defeitos, mas significativamente menos; e nenhum novo defeito ocorreu acima de 4,2 volts nos materiais NMC não ricos em lítio.

"Com esta publicação, esperamos abrir um novo paradigma para os cientistas de materiais repensarem como projetar e otimizar essa classe de materiais para armazenamento de energia. Ainda requer muito mais trabalho e muitas contribuições de campo para finalmente resolver o problema, "disse Meng. Ela detém a cadeira com dotação Zable em tecnologias de energia na UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Olhando para o estado sólido

A pesquisa descrita no Nature Energy o papel pode eventualmente levar a novos materiais catódicos para baterias de estado sólido. Muitos pesquisadores, incluindo Meng, considere as baterias de estado sólido uma das abordagens de baterias mais promissoras do futuro. Catodos NMC ricos em lítio, por exemplo, operam em alta tensão e, portanto, podem eventualmente ser emparelhados com eletrólitos de estado sólido, que também operam em alta tensão. Muito do interesse em baterias de estado sólido vem do fato de que eletrólitos de estado sólido são considerados mais seguros do que os eletrólitos líquidos tradicionais usados ​​em baterias recarregáveis ​​de íon de lítio.