Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade do Tennessee, Knoxville, descobriram um material essencial necessário para baterias de íons de lítio de carregamento rápido. A abordagem comercialmente relevante abre um caminho potencial para melhorar as velocidades de carregamento de veículos elétricos.
As baterias de íons de lítio, ou LIBs, desempenham um papel essencial no portfólio nacional de tecnologias de energia limpa. A maioria dos veículos híbridos elétricos e totalmente elétricos usa LIBs. Essas baterias recarregáveis ​​oferecem vantagens em confiabilidade e eficiência porque podem armazenar mais energia, carregar mais rapidamente e durar mais do que as baterias tradicionais de chumbo-ácido. No entanto, a tecnologia ainda está em desenvolvimento e são necessários avanços fundamentais para atender às prioridades para melhorar o custo, o alcance e o tempo de carregamento das baterias de veículos elétricos.

"Superar esses desafios exigirá avanços em materiais que sejam mais eficientes e métodos de síntese que sejam escaláveis ​​para a indústria", disse o ORNL Corporate Fellow e autor correspondente Sheng Dai.

Resultados publicados em Materiais de Energia Avançada demonstrar um novo material de ânodo de bateria de carregamento rápido obtido usando um método de síntese escalável. A equipe descobriu um novo composto de molibdênio-tungstênio-niobato, ou MWNO, com recarga rápida e alta eficiência que poderia substituir o grafite em baterias comerciais.

Por décadas, o grafite tem sido o melhor material usado para fazer ânodos LIB. No projeto básico da bateria, dois eletrodos sólidos – um ânodo positivo e um cátodo negativo – são conectados por uma solução eletrolítica e um separador. Nos LIBs, os íons de lítio se movem para frente e para trás entre o cátodo e o ânodo para armazenar e liberar energia que alimenta os dispositivos. Um desafio para anodos de grafite é que o eletrólito se decompõe e forma um acúmulo na superfície do anodo durante o processo de carregamento. Esse acúmulo retarda o movimento dos íons de lítio e pode limitar a estabilidade e o desempenho da bateria.

"Por causa desse movimento lento de íons de lítio, os ânodos de grafite são vistos como um obstáculo ao carregamento extremamente rápido. Estamos procurando novos materiais de baixo custo que possam superar o grafite", disse o pesquisador de pós-doutorado ORNL e primeiro autor Runming Tao. A meta de carregamento extremamente rápido do DOE para veículos elétricos é fixada em 15 minutos ou menos para competir com os tempos de reabastecimento em veículos movidos a gasolina, um marco que não foi alcançado com grafite.

"Nossa abordagem se concentra em materiais não-grafite, mas estes também têm limitações. Alguns dos materiais mais promissores - óxidos à base de nióbio - têm métodos de síntese complicados que não são adequados para a indústria", disse Tao.

A síntese convencional de óxidos de nióbio, como MWNO, é um processo de uso intensivo de energia sobre chama aberta que também gera resíduos tóxicos. Uma alternativa prática poderia levar os materiais MWNO a se tornarem sérios candidatos a baterias avançadas. Os pesquisadores se voltaram para o processo sol-gel bem estabelecido, conhecido pela segurança e simplicidade. Ao contrário da síntese convencional de alta temperatura, o processo sol-gel é um método químico de baixa temperatura para converter uma solução líquida em um material sólido ou gel e é comumente usado para fazer vidros e cerâmicas.

A equipe transformou uma mistura de líquido iônico e sais metálicos em um gel poroso que foi tratado com calor para melhorar as propriedades finais do material. A estratégia de baixa energia também permite que o solvente líquido iônico usado como modelo para MWNO seja recuperado e reciclado.

"Este material opera em uma voltagem mais alta que o grafite e não é propenso a formar o que é chamado de 'camada de eletrólito sólido de passivação' que retarda o movimento do íon de lítio durante o carregamento. método de síntese, torná-lo um candidato atraente para futuros materiais de bateria", disse Tao.

A chave para o sucesso do material é uma estrutura nanoporosa que proporciona maior condutividade elétrica. O resultado oferece menos resistência ao movimento de íons e elétrons de lítio, permitindo recarga rápida.

"O estudo alcança um método de síntese escalável para um material MWNO competitivo, além de fornecer informações fundamentais sobre o projeto futuro de materiais de eletrodos para uma variedade de dispositivos de armazenamento de energia", disse Dai. + Explorar mais

Pesquisadores descobrem abordagem inovadora para fabricar novos materiais para baterias de íons de lítio