Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine e quatro laboratórios nacionais desenvolveram uma maneira de fazer cátodos de baterias de íons de lítio sem usar cobalto, um mineral atormentado pela volatilidade dos preços e complicações geopolíticas.
Em um artigo publicado hoje na Nature , os cientistas descrevem como superaram as instabilidades térmicas e químico-mecânicas de cátodos compostos substancialmente de níquel - um substituto comum para cobalto - misturando vários outros elementos metálicos.

"Através de uma técnica que chamamos de 'dopagem de alta entropia', conseguimos fabricar com sucesso um cátodo em camadas sem cobalto com tolerância ao calor extremamente alta e estabilidade em ciclos repetidos de carga e descarga", disse o autor correspondente Huolin Xin, professor da UCI. de física e astronomia. "Esta conquista resolve preocupações de longa data de segurança e estabilidade em torno de materiais de bateria com alto teor de níquel, abrindo caminho para aplicações comerciais de base ampla."

O cobalto é um dos riscos mais significativos da cadeia de suprimentos que ameaça a adoção generalizada de carros elétricos, caminhões e outros dispositivos eletrônicos que exigem baterias, de acordo com os autores do artigo. O mineral, quimicamente adequado para estabilizar cátodos de baterias de íons de lítio, é extraído quase exclusivamente na República Democrática do Congo em condições abusivas e desumanas.

“Os fabricantes de veículos elétricos estão ansiosos para reduzir o uso de cobalto em suas baterias, não apenas para redução de custos, mas para combater as práticas de trabalho infantil usadas para minerar o mineral”, disse Xin. "A pesquisa também mostrou que o cobalto pode levar à liberação de oxigênio em alta tensão, causando danos às baterias de íons de lítio. Tudo isso aponta para a necessidade de alternativas."

No entanto, os cátodos à base de níquel vêm com seus próprios problemas, como baixa tolerância ao calor, que pode levar à oxidação dos materiais da bateria, fuga térmica e até explosão. Embora os cátodos com alto teor de níquel acomodem capacidades maiores, a tensão de volume da expansão e contração repetidas pode resultar em problemas de estabilidade e segurança ruins.

Os pesquisadores procuraram resolver esses problemas por meio de dopagem de alta entropia complexa usando HE-LMNO, uma amálgama de metais de transição magnésio, titânio, manganês, molibdênio e nióbio no interior da estrutura, com um subconjunto desses minerais usados ​​em sua superfície e interface com outros materiais de bateria.

Xin e seus colegas empregaram uma série de instrumentos de difração de raios X síncrotron, microscopia eletrônica de transmissão e instrumentos de nanotomografia 3D para determinar que seu cátodo zero-cobalto exibia uma mudança volumétrica sem precedentes de zero durante o uso repetido. A estrutura altamente estável é capaz de suportar mais de 1.000 ciclos e altas temperaturas, o que a torna comparável a cátodos com teor de níquel muito menor.

Para algumas dessas ferramentas de pesquisa, Xin colaborou com pesquisadores da National Synchrotron Light Source II, localizada no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, em Nova York. Como uma instalação do usuário do DOE Office of Science, o NSLS-II ofereceu à equipe acesso a três de seus 28 instrumentos científicos - chamados linhas de luz - para estudar a estrutura interna do novo cátodo.

"A combinação dos diferentes métodos nas linhas de luz NSLS II possibilitou a descoberta de um efeito de aprisionamento de vacâncias e defeitos de oxigênio no interior do material, o que efetivamente impede a formação de trincas na partícula secundária de HE-LMNO, tornando essa estrutura extremamente estável durante o ciclo," disse o coautor Mingyuan Ge, cientista do NSLS-II.

Xin adicionado:"Usando essas ferramentas avançadas, pudemos observar a estabilidade térmica dramaticamente aumentada e as características de mudança volumétrica zero do cátodo, e pudemos demonstrar retenção de capacidade e vida útil extraordinariamente aprimoradas. Esta pesquisa pode definir o palco para o desenvolvimento de uma alternativa densa em energia para as baterias existentes."

Ele disse que o trabalho representa um passo para alcançar o objetivo duplo de estimular a proliferação de transporte limpo e armazenamento de energia enquanto aborda questões de justiça ambiental em torno da extração de minerais usados ​​em baterias. + Explorar mais

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