Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) têm uma longa história de descobertas inovadoras com baterias de íons de lítio. Muitas dessas descobertas se concentraram em um cátodo de bateria conhecido como NMC, um óxido de níquel-manganês-cobalto. As baterias com este cátodo agora alimentam o Chevy Bolt.
Os pesquisadores de Argonne fizeram outro avanço com o cátodo NMC. A nova estrutura da equipe para as partículas de tamanho micro do catodo pode levar a baterias mais duradouras e mais seguras, capazes de operar em alta tensão e veículos de potência para longas distâncias de condução. Um artigo sobre esta pesquisa foi publicado em Nature Energy .

"O atual cátodo NMC representa uma grande barreira para a operação em alta tensão", disse Guiliang Xu, químico assistente. Com o ciclo de carga-descarga, o desempenho diminui rapidamente devido à formação de rachaduras nas partículas do cátodo. Por várias décadas, pesquisadores de baterias têm buscado maneiras de eliminar essas rachaduras.

Uma abordagem anterior envolveu partículas esféricas em microescala consistindo em numerosas partículas muito menores. As grandes partículas esféricas são policristalinas, com regiões cristalinas de orientação diferente. Como resultado, eles têm o que os cientistas chamam de limites de grãos entre as partículas, que causam rachaduras no ciclo da bateria. Para evitar isso, os colegas de Xu e Argonne desenvolveram anteriormente um revestimento de polímero protetor em torno de cada partícula. Este revestimento envolve as grandes partículas esféricas e as menores dentro delas.

Uma abordagem diferente para evitar esse craqueamento envolve partículas de cristal único. A microscopia eletrônica dessas partículas indicou que elas não têm limites.

O problema que a equipe enfrentou foi que os cátodos feitos de policristais revestidos e monocristais ainda formavam rachaduras com a ciclagem. Então, eles submeteram esses materiais catódicos a análises extensas nas instalações do usuário do Escritório de Ciência do DOE (APS) e do Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) em Argonne.

Diferentes análises de raios-X foram realizadas em cinco linhas de luz APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). Descobriu-se que o que os cientistas acreditavam serem cristais únicos, como evidenciado pela microscopia eletrônica e de raios-X, na verdade tinha limites internos. Microscopias eletrônicas de varredura e transmissão no CNM verificaram o achado.

"Quando olhamos para a morfologia da superfície dessas partículas, elas parecem cristais únicos", disse o físico Wenjun Liu. "Mas quando usamos uma técnica chamada microscopia de difração de raios X síncrotron e outras técnicas no APS, encontramos limites escondidos dentro".

É importante ressaltar que a equipe desenvolveu um método para produzir cristais únicos sem limites. Testes de células pequenas com esses cátodos de cristal único em tensão muito alta mostraram um aumento de 25% no armazenamento de energia por unidade de volume, com quase nenhuma perda de desempenho em 100 ciclos de teste. Por outro lado, durante o mesmo ciclo de vida, a capacidade diminuiu de 60% a 88% em cátodos NMC compostos de cristais únicos com muitos limites internos ou com policristais revestidos.

Cálculos em escala atômica revelaram o mecanismo por trás do declínio da capacidade no cátodo. De acordo com a nanocientista Maria Chan do CNM, em comparação com as regiões distantes deles, os limites são mais vulneráveis ​​à perda de átomos de oxigênio quando a bateria está sendo carregada. Essa perda de oxigênio leva à degradação com o ciclo celular.

"Nossos cálculos mostraram como os limites levam à liberação de oxigênio em alta tensão e, portanto, ao declínio do desempenho", disse Chan.

A eliminação dos limites evita a liberação de oxigênio e, assim, melhora a segurança e a estabilidade do cátodo com a ciclagem. As medições de liberação de oxigênio no APS e a Fonte de Luz Avançada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE apoiaram essa descoberta.

"Agora temos diretrizes que os fabricantes de baterias podem usar para preparar o material catódico que é livre de limites e funciona em alta tensão", disse Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow. "E as diretrizes devem se aplicar a outros materiais catódicos além do NMC." + Explorar mais

A descoberta fundamental da bateria pode afetar o transporte e a rede