Um aparelho usado para carregar baterias de célula tipo moeda de íon de lítio em várias taxas com diferentes níveis de corrente no Instituto de Stanford para Ciência e Engenharia de Materiais. Os resultados indicam que os benefícios da drenagem e carregamento lentos podem ter sido superestimados. Crédito:SLAC National Accelerator Laboratory
Uma visão abrangente de como as partículas minúsculas em um eletrodo de bateria de íon de lítio se comportam mostra que o carregamento rápido da bateria e seu uso para alta potência, O trabalho de drenagem rápida pode não ser tão prejudicial quanto os pesquisadores pensavam - e os benefícios da drenagem e carregamento lentos podem ter sido superestimados.
Os resultados desafiam a visão predominante de que "sobrecarregar" as baterias é sempre mais difícil com os eletrodos da bateria do que carregar a taxas mais lentas, de acordo com pesquisadores da Universidade de Stanford e do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia.
Eles também sugerem que os cientistas podem modificar os eletrodos ou mudar a forma como as baterias são carregadas para promover um carregamento e descarregamento mais uniformes e estender a vida útil da bateria.
"Os pequenos detalhes do que acontece em um eletrodo durante a carga e descarga é apenas um dos muitos fatores que determinam a vida útil da bateria, mas é um que, até este estudo, não foi adequadamente compreendido, "disse William Chueh do SIMES, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais de Stanford e autor sênior do estudo. "Encontramos uma nova maneira de pensar sobre a degradação da bateria."
Os resultados, ele disse, pode ser aplicado diretamente a muitos eletrodos de óxido e grafite usados nas baterias de íon de lítio comerciais atuais e em cerca de metade das que estão em desenvolvimento.
Sua equipe descreveu o estudo em 14 de setembro, 2014, em Materiais Naturais. A equipe incluiu colaboradores do Massachusetts Institute of Technology, Sandia National Laboratories, Samsung Advanced Institute of Technology America e Lawrence Berkeley National Laboratory.
O aluno de pós-graduação da Universidade de Stanford, Yiyang Li, testa baterias de célula tipo moeda de íon de lítio no Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia. Li e seus colegas investigaram como bilhões de nanopartículas no eletrodo positivo da bateria respondem a várias taxas de carga e descarga. Os resultados mostram que carregar e descarregar rapidamente a bateria pode não ser tão prejudicial quanto se pensava. Crédito:SLAC National Accelerator Laboratory
Assistindo Íons em Fatias de Bateria
Uma fonte importante de desgaste da bateria é o inchaço e o encolhimento dos eletrodos negativo e positivo à medida que absorvem e liberam íons do eletrólito durante o carregamento e a descarga.
Para este estudo, os cientistas analisaram um eletrodo positivo feito de bilhões de nanopartículas de fosfato de ferro e lítio. Se a maioria ou todas essas partículas participam ativamente do carregamento e da descarga, eles absorvem e liberam íons de maneira mais suave e uniforme. Mas se apenas uma pequena porcentagem de partículas absorvem todos os íons, eles são mais propensos a rachar e ficar arruinados, degradando o desempenho da bateria.
Estudos anteriores produziram visões conflitantes de como as nanopartículas se comportavam. Para investigar mais, pesquisadores fizeram pequenas baterias de célula tipo moeda, carregou-os com diferentes níveis de corrente por vários períodos de tempo, rapidamente os desmontou e enxaguou os componentes para interromper o processo de carga / descarga. Em seguida, eles cortaram o eletrodo em fatias extremamente finas e os levaram para o Berkeley Lab para exame com intensos raios-X do síncrotron Advanced Light Source, um DOE Office of Science User Facility.
Um pesquisador de Stanford / SLAC segura o eletrodo positivo de uma bateria de célula tipo moeda de íon de lítio usada em experimentos. Os cientistas carregaram essas baterias com diferentes níveis de corrente por vários períodos de tempo, desmontou-os e usou um feixe de raios-X brilhante para ver como a carga foi distribuída entre bilhões de nanopartículas no eletrodo positivo. Crédito:SLAC National Accelerator Laboratory
Novos insights sobre descarga mais rápida
"Pudemos observar milhares de nanopartículas de eletrodo de uma vez e obter instantâneos deles em diferentes estágios durante o carregamento e o descarregamento, "disse o estudante de pós-graduação de Stanford Yiyang Li, autor principal do relatório. "Este estudo é o primeiro a fazer isso de forma abrangente, sob muitas condições de carga e descarga. "
Analisando os dados usando um modelo sofisticado desenvolvido no MIT, os pesquisadores descobriram que apenas uma pequena porcentagem das nanopartículas absorveu e liberou íons durante o carregamento, mesmo quando foi feito muito rapidamente. Mas quando as baterias descarregam, algo interessante aconteceu:conforme a taxa de descarga aumentou acima de um certo limite, mais e mais partículas começaram a absorver íons simultaneamente, mudar para um modo mais uniforme e menos prejudicial. Isso sugere que os cientistas podem ajustar o material do eletrodo ou o processo para obter taxas mais rápidas de carga e descarga, mantendo a longa vida da bateria.
O próximo passo, Li disse, é executar os eletrodos da bateria por centenas a milhares de ciclos para imitar o desempenho do mundo real. Os cientistas também esperam tirar fotos da bateria enquanto ela está carregando e descarregando, em vez de interromper o processo e desmontá-lo. Isso deve produzir uma visão mais realista, e pode ser feito em sincrotrons como ALS ou Stanford Synchrotron Radiation Lightsource da SLAC, também um DOE Office of Science User Facility. Li disse que o grupo também tem trabalhado com a indústria para ver como essas descobertas podem ser aplicadas nos setores de transporte e eletrônicos de consumo.
