p Pesquisadores do Sandia National Laboratories confirmaram o mecanismo partícula por partícula pelo qual os íons de lítio se movem para dentro e para fora dos eletrodos feitos de fosfato de ferro e lítio (LiFePO ₄ , ou LFP), descobertas que podem levar a um melhor desempenho em baterias de íon-lítio em veículos elétricos, equipamento médico e aeronaves. p A pesquisa é relatada em um artigo intitulado, "Caminho de intercalação no eletrodo LiFePO4 de muitas partículas revelado pelo mapeamento do estado de carga em nanoescala" no jornal Nano Letras , 2013, 13 (3), pp 866-872. Os autores incluem o físico Sandia Farid El Gabaly e William Chueh da Universidade de Stanford.

p LFP, um mineral natural da família das olivinas, é um dos materiais mais novos sendo usados ​​em baterias de íon-lítio e é conhecido por ser mais seguro e duradouro do que o óxido de lítio-cobalto (LiCoO ₂ ) composto usado em telefones inteligentes, laptops e outros produtos eletrônicos de consumo.

p Embora o material LFP seja intrigante para pesquisadores e fabricantes de baterias por esses motivos, o processo pelo qual os íons de lítio entram e saem do LFP conforme a bateria armazena e libera sua energia não é bem compreendido. Isso tem se mostrado uma barreira para a ampla adoção do material.

p Materiais catódicos como LFP são essenciais na busca por maior capacidade, vida longa, Baterias de íon-lítio para aplicações em que as baterias não podem ser substituídas com a mesma facilidade ou frequência com que são em produtos eletrônicos de consumo. Aplicações maiores em que as células de óxido de lítio-cobalto eventualmente podem ser substituídas por baterias LFP incluem veículos elétricos e aeronaves.

p Movimentos de partículas semelhantes a pipoca vistos por meio de técnica de microscopia

p Ao observar seções transversais completas da bateria, os pesquisadores forneceram informações importantes sobre uma controvérsia sobre o processo que limita as taxas de carga e descarga da bateria.

p Tentativas anteriores de otimizar a velocidade de carga / descarga incluíram revestir as partículas para aumentar sua condutividade elétrica e reduzir o tamanho das partículas para acelerar sua transformação, mas negligenciei o processo de iniciação que pode muito bem ser a etapa crítica de limitação da taxa na maneira como o lítio se move do exterior para o interior de uma partícula.

p Ao usar microscopia de raios-X para examinar fatias ultrafinas de uma bateria comercial, Os pesquisadores da Sandia encontraram evidências de que a carga e a descarga em LFP são limitadas pelo início da transformação de fase, ou nucleação, e não é afetado pelo tamanho da partícula.

p O eletrodo LFP forma um mosaico de partículas homogêneas que estão em um estado rico ou pobre em lítio. A pesquisa Sandia confirma a partícula por partícula, ou mosaico, via de transformações de fase devido à inserção de íons de lítio no cátodo. Os resultados contradizem as suposições anteriores.

p "Uma teoria de propagação disse que quando todas as partículas foram expostas ao lítio, todos eles iriam começar a descarregar lentamente juntos em uma transformação de fase simultânea, "disse El Gabaly." Agora vimos que o processo é mais parecido com pipoca. Uma partícula é completamente descarregada, então o próximo, e eles vão um por um como pipoca, absorvendo o lítio. "

p Fatiar e cortar ajuda a compreender a carga de íons de lítio

p Os íons de lítio entram e saem dos materiais do eletrodo da bateria à medida que são carregados e descarregados. Quando uma bateria recarregável de íon de lítio é carregada, uma fonte de tensão externa extrai íons de lítio do material catódico (eletrodo positivo), em um processo conhecido como "delitiação". Os íons de lítio se movem através do eletrólito e são inseridos (intercalados) no material do ânodo (eletrodo negativo), em um processo conhecido como "litiação". O mesmo processo acontece ao contrário ao descarregar energia da bateria.

p “Observamos que havia apenas duas fases, onde a partícula tinha lítio ou não, "disse El Gabaly." Em muitos estudos anteriores, os pesquisadores se concentraram em compreender o processo de carregamento dentro de uma partícula. "

p El Gabaly e seus colegas Sandia pegaram uma fatia um pouco mais grossa do que um fio de cabelo humano de uma bateria comercial, apenas uma camada de partículas LFP, e mapeou as localizações do lítio em cerca de 450 partículas quando a bateria estava em diferentes estados de carga.

p "Nossa descoberta foi possível mapeando o lítio em um conjunto de partículas relativamente grande, " ele disse.

p Muitas ferramentas, instalações contribuem para a pesquisa

p Os pesquisadores foram capazes de construir uma bateria de célula tipo moeda de nível comercial a partir de matérias-primas usando a instalação de prototipagem de bateria de célula da Sandia no Novo México, que é a maior instalação do Departamento de Energia equipada para fabricar pequenos lotes de células de íon-lítio. A bateria foi então carregada, testado para comportamento normal, e desmontado em Livermore de Sandia, Califórnia, facilidade através de um novo método de camadas de corte que conservou o arranjo espacial do cátodo ao ânodo.

p Os pesquisadores da Sandia foram ao Laboratório Nacional Lawrence Berkeley para caracterizar os materiais com microscopia de raio-X de transmissão de varredura de última geração (STXM) no Advanced Light Source (ALS), e depois voltou ao site de Sandia na Califórnia para estudo por microscopia eletrônica de transmissão (TEM).

p "A espectroscopia de raios-X do ALS diz o que está dentro de uma partícula individual, ou onde o lítio está, mas tem baixa resolução espacial. Precisávamos da microscopia eletrônica da mesma fatia para nos dizer onde todas as partículas foram distribuídas em toda a camada da bateria, "disse Chueh, uma ex-Sandia Truman Fellow que é a autora principal do artigo do jornal e professora assistente e bolsista do Precourt Institute of Energy da Stanford University.

p A equipe de pesquisa de Sandia e outros apresentaram suas descobertas técnicas no recente Materials Research Society Spring Meeting em San Francisco. Como resultado dessa apresentação, El Gabaly disse, outros pesquisadores estão usando os resultados para validar modelos teóricos. A equipe também pode fazer parceria com a indústria, como uma empresa já indicou um grande interesse em Sandia conduzindo estudos semelhantes em diferentes, materiais de bateria mais complexos.