Pesquisadores da Boise State University desenvolveram uma nova abordagem para fabricar novos materiais para baterias de íons de lítio. A partir de um óxido de nióbio amorfo (ou seja, um material sem ordem de longo alcance), a equipe descobriu que o próprio ato de ciclar o material com lítio induz uma transformação em um novo cristalino Nb₂ O₅ ânodo com armazenamento Li excepcional e ciclagem rápida. Esse processo pode potencialmente ser usado para fabricar outros materiais de bateria de íons de lítio que não podem ser facilmente fabricados por meios tradicionais.
O estudo, liderado em conjunto por pesquisadores nos laboratórios de Hui (Claire) Xiong, professor de ciência e engenharia de materiais da Boise State University, e Shyue Ping Ong, professor de nanoengenharia da Universidade da Califórnia em San Diego, foi publicado em i> Materiais da Natureza .

A descoberta de novos materiais para baterias de íons de lítio assumiu uma urgência renovada. Alimentado pelo aumento dos preços do gás, houve um aumento na demanda por veículos elétricos (EVs) e, com isso, pelas baterias de íons de lítio que os alimentam. No entanto, as baterias de íons de lítio de hoje ainda são muito caras e carregam muito lentamente.

"As baterias de íons de lítio são a tecnologia líder para o mercado de baterias recarregáveis, mas também há um aumento na demanda por baterias com alta energia e tempos de carregamento mais rápidos", disse Pete Barnes, Ph.D. ex-aluno do Laboratório de Materiais de Energia Eletroquímica da Xiong na Micron School of Materials Science and Engineering e principal autor do trabalho. “Se você deseja carregar seu EV por 15 minutos e depois pegar a estrada pelos próximos 300 ou 300 quilômetros, você precisa de novos eletrodos de bateria que possam ser carregados a uma taxa muito rápida sem muita perda de desempenho”.

Entre um dos maiores gargalos para o carregamento das baterias de íons de lítio de hoje está o ânodo. O ânodo mais comum é feito de grafite, que é muito denso em energia, mas não pode ser carregado muito rapidamente devido ao risco de incêndio e explosões de um processo conhecido como revestimento de metal de lítio. Óxidos metálicos intercalados, como o sal-gema Nb₂ O₅ material descoberto pela equipe, são alternativas promissoras de anodo devido ao risco reduzido de revestimento de lítio em baixas tensões.

Para criar o novo material anódico, o grupo de Xiong desenvolveu uma nova técnica inovadora chamada transformação amorfo-cristalina induzida eletroquimicamente. O novo eletrodo pode alcançar alto armazenamento de lítio de 269 mAh/g a uma taxa de carregamento de 20 mA/g e, mais importante, continua a reter uma alta capacidade de 191 mAh/g a uma alta taxa de carregamento de 1 A/g.

"O aspecto mais empolgante deste trabalho é a descoberta de uma abordagem completamente nova para criar novos eletrodos de bateria de íons de lítio", disse Xiong. "O truque é começar a partir de uma fase de energia mais alta, como um material amorfo. O simples ciclo do material com lítio nos permite criar novos arranjos cristalinos que exibem propriedades aprimoradas além daquelas feitas por meios tradicionais, como reações de estado sólido."

O desempenho excepcional da taxa do ânodo é devido à sua estrutura desordenada de sal-gema ou DRX, que é como sal de cozinha comum, mas com os átomos de Li e Nb dispostos de forma aleatória. Embora os materiais de cátodo DRX sejam bem conhecidos, os ânodos DRX são relativamente raros. Usando técnicas computacionais, Yunxing Zuo, Ph.D. ex-aluno do Laboratório Virtual de Materiais de Ong na UC San Diego, mostrou que o processo de inserção de Li em Nb amorfo₂ O₅ permite que os cientistas de materiais acessem materiais metaestáveis. A equipe também desenvolveu uma métrica para identificar outros óxidos metálicos que podem potencialmente ser sintetizados de maneira semelhante. Os cálculos também mostram que a estrutura DRX contém caminhos para difusão rápida de lítio, resultando em desempenho de alta taxa.

"Acreditamos que este trabalho seja apenas o começo de uma maneira completamente nova de pensar sobre a síntese de materiais", disse Ong. "Os átomos gostam de se organizar de certas maneiras. Quando fazemos materiais da maneira tradicional, geralmente obtemos os mesmos arranjos repetidas vezes. Essa nova abordagem abre um caminho promissor para a criação de outros óxidos metálicos não convencionais."

A equipe também colaborou com os Drs. Sungsik Lee, Justin Connell, Hua Zhou e Yuzi Liu do Laboratório Nacional de Argonne, Profs. Paul Davis, Paul Simmonds e Dr. Darin Schwartz de Boise State, e Drs. Yingge Du e Zihua Zhu do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico. + Explorar mais

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