Renderização artística da tecnologia de fotoexcitação de Argonne para recarga rápida de baterias de íon-lítio. Crédito:Laboratório Nacional de Argonne
Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) relataram um novo mecanismo para acelerar o carregamento de baterias de íon-lítio para veículos elétricos. Simplesmente expondo o cátodo a um feixe de luz concentrada - por exemplo, a luz branca de uma lâmpada de xenônio - diminui o tempo de carregamento da bateria por um fator notável de dois ou mais. Se comercializado, tal tecnologia pode ser uma virada de jogo para veículos elétricos.
Os proprietários de veículos elétricos estão bem cientes da "ansiedade de alcance", pois o nível de carga está baixo ou a localização da estação de carga mais próxima parece muito distante. O carregamento rápido continua sendo um desafio crítico se esses veículos quiserem conquistar um grande segmento do mercado de transporte. O carregamento de um carro elétrico vazio normalmente leva cerca de oito horas.
Agora existem estações especiais de superalimentação que alcançam a carga ultrarrápida de veículos elétricos, fornecendo uma corrente muito mais alta para a bateria. Passando muita corrente em um período muito curto, Contudo, degrada o desempenho da bateria.
Tipicamente, As baterias de íon-lítio para veículos são carregadas lentamente para obter uma reação eletroquímica completa. Esta reação envolve a remoção de lítio do cátodo de óxido e sua inserção no ânodo de grafite.
"Queríamos encurtar muito essa reação de carga sem danificar os eletrodos do fluxo de corrente superior resultante, "disse Christopher Johnson, Argonne Distinguished Fellow e líder de grupo na divisão de Ciências Químicas e Engenharia.
As baterias de íon de lítio de hoje funcionam no estado escuro, com os eletrodos alojados em uma caixa. A tecnologia fotoassistida de Argonne usaria um recipiente transparente que permite que a luz concentrada ilumine os eletrodos da bateria durante o carregamento.
Para sondar o processo de cobrança, a equipe de pesquisa criou pequenas células de íon-lítio ("células-moeda") com janelas de quartzo transparentes. Eles então testaram essas células com e sem luz branca brilhando através da janela para o cátodo.
"Colocamos a hipótese de que, durante o carregamento, a luz branca interagiria favoravelmente com o material catódico típico, e isso provou ser o caso em nossos testes de células, "Disse Johnson. O material do cátodo é um óxido de lítio-manganês, abreviado como LiMn 2 O 4 (LMO).
O ingrediente principal nesta reação favorável é a interação da luz com o LMO, um material semicondutor conhecido por interagir com a luz. Ao absorver os fótons da luz durante o carregamento, o elemento manganês no LMO muda seu estado de carga de trivalente para tetravalente (Mn 3+ para Mn 4+ ) Em resposta, Os íons de lítio ejetam mais rápido do cátodo do que ocorreria sem o processo de excitação de fótons.
Essa condição acelera a reação da bateria. A equipe descobriu que a reação mais rápida resultou em um carregamento mais rápido sem degradar o desempenho da bateria ou o ciclo de vida. "Nossos testes de células mostraram um fator de redução de dois no tempo de carregamento com a luz ligada, "Disse Johnson.
A equipe de pesquisa realizou este trabalho como parte do Centro de Ciências da Energia Eletroquímica (CEES), um DOE Energy Frontier Research Center (EFRC) liderado por Argonne.
"Esta pesquisa é um ótimo exemplo de como o objetivo do CEES de compreender os processos de eletrodos em baterias de íon-lítio está permitindo avanços essenciais que estão influenciando a tecnologia, "disse Paul Fenter, Diretor do CEES e físico sênior da divisão de Ciências Químicas e Engenharia. "Isso é emblemático dos impactos transformacionais que o programa EFRC pode alcançar."
Johnson adicionou isso, "Esta descoberta é a primeira de seu tipo em que as tecnologias de luz e bateria são combinadas, e esta intersecção é um bom augúrio para o futuro de conceitos inovadores de carregamento de baterias. "
O Vehicle Technologies Office do DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy identificou a carga rápida como um desafio crítico para garantir a adoção em massa de veículos elétricos com uma meta de 15 minutos. tempo de recarga, e essa pesquisa pode ser a chave para tornar isso possível.
Esta pesquisa apareceu em Nature Communications , intitulado "Carregamento rápido fotoacelerado de baterias de íon de lítio."
