Quando os íons de lítio são forçados rapidamente através de uma bateria, eles podem ficar presos e se transformar em metal de lítio, não podendo mais se mover pela bateria.
Imagine poder reabastecer seu carro elétrico enquanto para para um lanche rápido ou recarregar seu telefone enquanto escova os dentes.

"O carregamento rápido é uma espécie de Santo Graal. É o que todos que possuem um dispositivo baseado em bateria de íon de lítio querem poder fazer", diz o engenheiro sênior David Wragg do Centro de Ciência de Materiais e Nanotecnologia da Universidade de Oslo.

Dentro da bateria, no entanto, há muita química complicada que pode ser sensível à rapidez com que ela é carregada. As coisas podem dar errado.

"A perda de capacidade é a mais crítica", diz Wragg ao Titan.uio.no.

"É possível fabricar baterias com capacidade muito alta que podem permitir que você conduza seu carro elétrico por 1.000 km, mas depois de carregá-lo e descarregá-lo algumas vezes, você perderia cerca de metade dessa capacidade e alcance.

Todas as baterias recarregáveis ​​se deterioram com o tempo, mas esse efeito negativo é ainda mais forte quando a bateria é submetida a carregamento rápido. Wragg é um dos pesquisadores por trás de um estudo que mostra o porquê.

Eles puderam ver que os íons de lítio, que são tão importantes para a capacidade de uma bateria, são convertidos em metal de lítio puro e não são mais úteis. E o mais importante:esse efeito é bastante aprimorado pelo carregamento rápido.

A bateria é como uma cadeira de balanço

De um lado da bateria está o ânodo e do outro lado está o cátodo. Ambos os eletrodos podem armazenar elétrons e íons. Entre eles há um separador e um eletrólito líquido que ajuda os íons de um lado para o outro.

Íons e elétrons se movem de um lado da bateria para o outro quando você usa a corrente armazenada lá e voltam quando você a recarrega.

"Eles chamam isso de mecanismo da cadeira de balanço, onde você balança os ferros e os elétrons de um lado para o outro."

"Quando estão frescas e funcionando perfeitamente, as baterias podem armazenar uma certa quantidade de íons, e essa é a capacidade total do sistema", diz Wragg.

Quando os íons, que costumavam se mover para frente e para trás, se transformam em metal, eles não conseguem mais se mover pela bateria. Os íons são carregados e podem ser atraídos para frente e para trás. Os átomos de metal são neutros e não podem ser tentados em nenhuma direção.

"Uma vez que o lítio é transformado em metal, não é mais acessível para a reação eletroquímica. Essa capacidade é completamente perdida", diz Wragg.

Isso acontece em todas as baterias recarregáveis ​​de íons de lítio quando você as carrega muitas vezes. Mas por que fica pior quando você carrega rápido?

Afunilamentos durante o carregamento rápido

Durante o carregamento rápido, o mesmo número de íons se move pelo sistema, mas muito mais rápido. Todos os íons devem encontrar seu lugar no ânodo em um tempo muito menor.

“Quando você carrega em velocidade dupla, você tem que mover a mesma quantidade de íons e elétrons na metade do tempo”, diz Wragg.

Se você carregar quatro ou seis vezes mais rápido, naturalmente será ainda mais difícil.

"É difícil porque há certos limites na química que está acontecendo quando você tenta colocar íons de lítio em um material de eletrodo sólido muito rápido", diz Wragg.

Os ânodos, que recebem íons durante o carregamento, são feitos de grafite, que é formado por finas camadas de carbono. O ânodo consiste em vários milhões dessas camadas.

"O grafite vazio é como um baralho de cartas e os íons de lítio são como pequenas bolas sendo empurradas para os espaços entre as cartas. O problema é que você pode ter gargalos ao tentar empurrar os íons de lítio entre as camadas do grafite.

"Você continua empurrando íons, mas a menos que os íons que já estão entre as camadas possam penetrar mais fundo na pilha, não há espaço para novos íons entrarem. Quando você carrega a bateria muito rápido, o lítio não se espalha por toda a pilha. Ele fica preso perto do eletrólito, onde o ânodo e o cátodo estão separados."

É especialmente aqui, nesses gargalos, que os íons carregados se tornam átomos neutros e se acumulam em pequenos pedaços de metal. Os íons não se movem mais, ao mesmo tempo que a energia é aplicada. Esse excesso de energia pode ser o que transforma um íon em um átomo neutro e estável.

"É chamado de revestimento de lítio. É quando os íons de lítio, em vez de permanecer na forma iônica, se transformam em metal de lítio. Isso é conhecido há muito tempo, mas não foi realmente observado em uma bateria em funcionamento antes", Wragg diz.

Isso, no entanto, Wragg e seus colegas conseguiram fazer. Usando raios-X, eles escanearam as baterias a cada 25 milissegundos, repetidamente, enquanto carregavam rapidamente em taxas diferentes. Isso lhes deu enormes quantidades de dados sobre o que está acontecendo até o nível atômico.

"Nós realmente pudemos ver o revestimento de lítio se acumulando. Durante o carregamento rápido, pudemos ver a quantidade de lítio aumentando muito rápido. Nossa teoria é que isso tem algo a ver com esse gargalo de íons de lítio. Vemos muitos íons de lítio perto de o separador e é também onde vemos o revestimento de lítio", diz Wragg.

"O mais provável é que esses íons de lítio se acumulem e eles simplesmente não consigam mais chegar ao grafite. Eles ficam presos lá e há muito calor, muita energia sendo colocada neles, e assim eles são reduzidos. ao lítio metálico."

Eles viram como as camadas de grafite mais próximas do outro eletrodo eram muito ricas em lítio, enquanto mais profundamente nela quase não havia lítio. Piorou quanto mais rápido eles cobravam.

"Quanto mais rápido você empurra, mais rápido o revestimento ocorre", diz Wragg.

O futuro:nanotubos e grafeno?

O estudo não é de forma alguma o fim do carregamento rápido. Significa apenas que os pesquisadores devem encontrar soluções novas e melhores.

“O principal disso é que as pessoas que fabricam baterias tentem descobrir maneiras de melhorar o transporte de lítio para que, quando você estiver carregando rapidamente, haja mais chances de o lítio realmente passar por todo o ânodo de grafite, ", diz Wragg.

Pesquisadores de todo o mundo estão procurando novos materiais e métodos que possam fazer as baterias suportarem melhor o carregamento rápido.

"Por exemplo, muitas pessoas usam nanotubos de carbono. O nanotubo de carbono é o que você obtém se pegar um dos cartões e enrolá-lo em um tubo. É como um grafite que foi formado em tubos em vez de um pouco achatado. "

Wragg e colegas da Universidade de Oslo estão trabalhando com grafeno, folhas únicas de grafite, no ânodo.

"O grafite é conhecido há centenas de anos. O grafeno e os nanotubos de carbono são conhecidos há cerca de 30 anos, então leva tempo."

Até agora, nenhuma dessas inovações apareceu em baterias comerciais.

"Mas isso vai acontecer, sem dúvida", diz Wragg.