As baterias são amplamente utilizadas em aplicações diárias, como alimentar veículos elétricos, aparelhos eletrônicos e são candidatos promissores para armazenamento de energia sustentável. Contudo, como você provavelmente notou com o carregamento diário de baterias, sua funcionalidade diminui com o tempo. Eventualmente, precisamos substituir essas baterias, o que não é apenas caro, mas também esgota os elementos de terras raras usados ​​em sua fabricação.

Um fator chave na redução da vida útil da bateria é a degradação da integridade estrutural da bateria. Para desencorajar a degradação estrutural, uma equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi espera introduzir "elasticidade" em materiais de bateria para que possam ser ciclados repetidamente sem fadiga estrutural. Esta pesquisa foi liderada por Ananya Renuka-Balakrishna, WiSE Gabilan Professor Assistente de Engenharia Aeroespacial e Mecânica, e candidato a Ph.D da USC Viterbi, Delin Zhang, bem como pesquisadores da Brown University do grupo do professor Brian Sheldon. Seu trabalho foi publicado no Jornal de Mecânica e Física dos Sólidos .

Uma bateria típica funciona por meio de um ciclo repetitivo de inserção e extração de íons de lítio dos eletrodos, Zhang disse. Esta inserção e extração expande e comprime as redes do eletrodo. Essas mudanças de volume criam microfissuras, fraturas e defeitos ao longo do tempo.

"Essas microfissuras e fraturas no material da bateria levarão à degradação estrutural, o que acabará por diminuir a capacidade da bateria, "Zhang disse." Em última análise, a bateria terá de ser substituída por uma nova. "

Para desencorajar isso, Zhang, quem estuda materiais de intercalação - uma classe de materiais usados ​​como eletrodos em baterias de íon-lítio - estende esses eletrodos de intercalação com antecedência. Esta mudança no estado de estresse inicial regula as tensões de transformação de fase, tornando os eletrodos mais resilientes à fratura ou amorfização (perdendo suas propriedades cristalinas).

Tensão mais ampla, maior capacidade

Transformações de fase, quando os materiais da bateria mudam de forma física, resultado do ciclo de expansão e compressão que acompanha o carregamento e uso diário. Disse Zhang:"Essas transformações de fase podem tornar os eletrodos mais suscetíveis à degradação estrutural, especialmente quando o processo é repetido com tanta frequência. "

A reversibilidade das fases é fundamental para permitir que as baterias mantenham uma funcionalidade eficiente ao longo do tempo. Disse Renuka-Balakrishna:"A reversibilidade é melhorada certificando-se de que o material permanece em sua forma cristalina. Em certas tensões, quando os materiais passam de uma fase para outra, eles podem se tornar pulverulentos, o que não é ideal para uma operação eficiente da bateria. "

Os pesquisadores então se perguntaram:"Existe uma maneira de manter os materiais da bateria em sua forma cristalina enquanto eles alternam entre as paisagens energéticas?" A resposta:mudar a estrutura dos materiais, introduzindo um estado inicial de tensão.

Disse Zhang:"Esticando os eletrodos antes de carregar e descarregar, estamos mudando o cenário de energia através do qual os eletrodos passam do estado carregado para o descarregado. Essa deformação inicial nos permite reduzir a barreira de energia para essas transformações e evitar deformações de rede prejudiciais que levam à falha do material. Essa mudança no cenário de energia ajuda a prevenir microfissuras e fraturas, protegendo a sustentabilidade da bateria e a capacidade de armazenamento de energia. "

Um benefício adicional, Renuka-Balakrishna disse, é que esticando os eletrodos, a bateria também pode operar em uma janela de tensão mais ampla, tornando-o mais eficiente em sua capacidade de armazenamento de energia.

Desafios do armazenamento moderno de energia

Uma das principais preocupações da comunidade de armazenamento de energia, Renuka-Balakrishna disse, está se afastando de eletrólitos líquidos inflamáveis ​​normalmente usados ​​em baterias e colocando-os em materiais sólidos. "Isso apresenta novos desafios, " ela disse.

Objetos sólidos, como todos sabemos, pode se deteriorar com o tempo quando estressado repetidamente. Uma vez que uma rachadura é introduzida, os dois lados de uma superfície perderão contato. No caso da bateria, cria um problema de mecânica simples; sem a conexão, é difícil transportar íons através do material, Renuka-Balakrishna disse.

Abordagens como a identificada por Zhang são uma tentativa de avançar em direção à segurança, baterias mais sustentáveis ​​ao enfrentar este desafio mecânico. A novidade dessa abordagem é, em vez de encontrar um novo material para melhorar a vida útil da bateria, você pode melhorar a vida útil de um material existente, introduzindo conceitos mecânicos fundamentais para melhorar sua vida útil, disseram os pesquisadores.

"A mecânica nem sempre foi parte integrante do desenvolvimento de baterias, "Renuka-Balakrishna disse." Mas agora os engenheiros podem brincar com esta teoria / ferramenta que Zhang criou e trabalhar para projetar a vida útil dos materiais das baterias. "

Melhorar a vida útil das baterias beneficiaria os usuários de dispositivos eletrônicos e veículos elétricos, permitindo um uso mais longo dos dispositivos e minimizando a substituição da bateria, Zhang disse. Dado o custo de uma bateria de íon de lítio, ele também pode economizar muito dinheiro para os usuários ao longo do tempo.

Mais que isso, Zhang disse que o armazenamento de energia sustentável é uma parte importante da redução das emissões prejudiciais de gases de efeito estufa e do desperdício de bateria, e esperamos com nosso trabalho abrir uma nova linha de pesquisa para aumentar a reversibilidade de materiais.