Crédito:Zhu et al.
Óxido de metal de transição rico em lítio (Li 1 + X M 1-X O 2 ) os cátodos têm potencial para uso em baterias de íon-lítio, alimentar dispositivos eletrônicos e veículos elétricos. Esses cátodos têm uma alta densidade de energia, normalmente acima de 900 Wh kg -1 , no entanto, eles atualmente também vêm com limitações significativas.
O problema mais crucial observado na maioria dos cátodos ricos em Li é que eles liberam oxigênio para eletrólitos, e assim, sua tensão decai enquanto eles estão sendo usados. Esta limitação significativa impediu seu uso generalizado por anos.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram recentemente uma estratégia que pode ajudar a superar esse problema, imunizando partículas de cátodo de óxido rico em Li contra a liberação de oxigênio. Esta nova estratégia, descrito em um artigo publicado em Nature Energy , envolve um tratamento de sal fundido que elimina a liberação de oxigênio de cristais únicos ricos em Li para eletrólitos, tornando a região da superfície pobre em Li, enquanto ainda permite contribuições redox de oxigênio estáveis dentro das partículas.
"Nosso principal objetivo era utilizar a capacidade do oxigênio para reações redox sem produzir os íons de oxigênio reduzidos (ou seja, "peroxo" e "superoxo" - como) globalmente para celular, o que significa que eles podem escapar da superfície da partícula catódica e reagir com o eletrólito dentro de uma bateria, "Ju Li, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore.
Os íons de oxigênio reduzidos dentro dos cátodos ricos em Li se assemelham um pouco aos complexos metal-peroxo e metal-superoxo; compostos por meio dos quais o sangue transporta oxigênio nos animais. O peroxo (O - ) e superoxo (O 0,5- ) espécies, enquanto contribui com capacidade, tem uma mobilidade muito maior do que o padrão O 2- . Em li 1 + X M 1-X O 2 cátodos. Esses íons de oxigênio podem se mover livremente e, finalmente, escapar das partículas catódicas, reagindo com e contaminando o eletrólito líquido.
Para evitar que isso aconteça, Li e seus colegas implementaram um tratamento envolvendo a extração de óxido de lítio (LiO) usando sal molibdato fundido em altas temperaturas. Eles descobriram que este tratamento permite que a superfície ganhe a composição Li 1-X ' M 1 + X ' O 2 sem interromper a continuidade da rede ou criar defeitos em excesso (epitaxial), removendo assim o peroxo (O - ) e superoxo (O 0,5- ) espécies próximas à superfície, evitando que os cristais únicos ricos em lítio liberem oxigênio para os eletrólitos.
“Fizemos um tratamento de imunização, portanto, regiões de superfície com cerca de ~ 10 nm de espessura são esgotadas de oxigênio, e, portanto, seria mais estável no ciclo da bateria, "Disse Li." O tratamento de imunização foi realizado a uma temperatura elevada de 700 ° C, Assim, à medida que extraímos oxigênio e lítio, a rede se repara por recozimento térmico e vai suavemente de rica em Li para pobre em Li, sem defeitos adicionais e sem perder a perfeita coerência da rede da partícula monocristalina. "
A estratégia de imunização desenvolvida por Li e seus colegas não afeta os estados de valência do metal e a estrutura dos cristais ricos em Li dentro do cátodo, mantendo assim um anion-redox de oxigênio estável (O 2- ↔O - ) contribuição de capacidade durante o funcionamento de uma bateria. Em testes de avaliação de sua estratégia, os pesquisadores descobriram que resultou em um cátodo híbrido gradiente aniônico e catiônico redox (HACR) com uma densidade específica ou 843 Wh kg -1 após 200 ciclos a 0,2C e 808 Wh kg -1 após 100 ciclos a 1C, com uma liberação mínima de oxigênio e, portanto, menor consumo de eletrólito na bateria.
"Nosso estudo prova que o ciclo de uma bateria de célula cheia com muito pouca quantidade de eletrólito (nível industrial de 2g (eletrólito) / Ah) é possível, indicando que interrompemos a perda de oxigênio ao utilizar a capacidade redox do oxigênio, "Li." Este conceito de bateria de 'oxigênio sólido' tem o potencial de dobrar a densidade de energia dos cátodos.
Ao reduzir a liberação de oxigênio normalmente observada em cátodos ricos em Li, a estratégia concebida por Li e seus colegas poderia eventualmente facilitar a comercialização e o uso generalizado de baterias à base de lítio alimentadas por esses cátodos. Interessantemente, o tratamento de imunização delineado em seu estudo também pode ser aplicado a outros elementos, ajudando a suprimir ou prevenir reações inesperadas de superfície nas baterias. Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam aumentar a síntese na bateria baseada em cátodo rico em Li e melhorar ainda mais a densidade comprimida dos cátodos HACR.
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