p Um grande problema enfrentado pelos eletrodos em baterias recarregáveis, à medida que passam por ciclos repetidos de carga e descarga, é que eles devem expandir e encolher durante cada ciclo - às vezes dobrando de volume, e então recuando. Isso pode levar à eliminação e reforma repetidas de sua camada de "pele", que consome lítio irreversivelmente, degradando o desempenho da bateria ao longo do tempo. p Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e da Universidade de Tsinghua, na China, encontrou uma nova maneira de contornar esse problema:criar um eletrodo feito de nanopartículas com uma casca sólida, e uma "gema" dentro que pode mudar de tamanho repetidamente sem afetar a casca. A inovação pode melhorar drasticamente o ciclo de vida, a equipe diz, e fornecem um aumento dramático na capacidade e potência da bateria.

p As novas descobertas, que usam alumínio como o material principal para o eletrodo negativo da bateria de íon de lítio, ou ânodo, são relatados no jornal Nature Communications , em um artigo do professor do MIT Ju Li e seis outros. O uso de nanopartículas com uma gema de alumínio e uma casca de dióxido de titânio provou ser "o campeão de alta taxa entre os ânodos de alta capacidade, "relata a equipe.

p A maioria das baterias de íon-lítio - a forma mais amplamente usada de baterias recarregáveis ​​- usam ânodos feitos de grafite, uma forma de carbono. A grafite tem uma capacidade de armazenamento de carga de 0,35 ampere-hora por grama (Ah / g); por muitos anos, os pesquisadores exploraram outras opções que proporcionariam maior armazenamento de energia para um determinado peso. Metal de lítio, por exemplo, pode armazenar cerca de 10 vezes mais energia por grama, mas é extremamente perigoso, capaz de entrar em curto-circuito ou até mesmo pegar fogo. O silício e o estanho têm capacidade muito alta, mas a capacidade cai em altas taxas de carga e descarga.

p O alumínio é uma opção de baixo custo com capacidade teórica de 2 Ah / g. Mas o alumínio e outros materiais de alta capacidade, Li diz, "expandem muito quando atingem alta capacidade, quando absorvem lítio. E então eles encolhem, ao liberar lítio. "

p Essa expansão e contração das partículas de alumínio gera grande estresse mecânico, o que pode causar a desconexão dos contatos elétricos. Também, o eletrólito líquido em contato com o alumínio sempre se decomporá nas tensões de carga / descarga exigidas, formando uma camada chamada camada de interfase de eletrólito sólido (SEI), o que seria bom se não fosse pela expansão e contração repetida de grande volume que faz com que as partículas SEI se desprendam. Como resultado, as tentativas anteriores de desenvolver um eletrodo de alumínio para baterias de íon-lítio haviam falhado.

p Foi aí que surgiu a ideia de usar alumínio confinado na forma de uma nanopartícula de casca de gema. No setor de nanotecnologia, há uma grande diferença entre as chamadas nanopartículas de "casca de núcleo" e de "casca de gema". Os primeiros têm uma casca que está ligada diretamente ao núcleo, mas as partículas da casca da gema apresentam um vazio entre as duas - equivalente a onde estaria a clara de um ovo. Como resultado, o material de "gema" pode expandir e contrair livremente, com pouco efeito nas dimensões e estabilidade da "concha".

p "Fizemos uma cápsula de óxido de titânio, "Li diz, "que separa o alumínio do eletrólito líquido" entre os dois eletrodos da bateria. A casca não se expande ou encolhe muito, ele diz, portanto, o revestimento SEI na casca é muito estável e não cai, e o alumínio interno é protegido do contato direto com o eletrólito.

p A equipe não planejou originalmente dessa forma, disse Li, o Professor da Battelle Energy Alliance em Ciência Nuclear e Engenharia, que tem uma nomeação conjunta no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT.

p "Nós descobrimos o método por acaso, foi uma descoberta casual, "diz ele. As partículas de alumínio que usaram, que têm cerca de 50 nanômetros de diâmetro, naturalmente tem uma camada oxidada de alumina (Al2O3). "Precisávamos nos livrar disso, porque não é bom para a condutividade elétrica, "Li diz.

p Eles acabaram convertendo a camada de alumina em titânia (TiO2), um melhor condutor de elétrons e íons de lítio quando é muito fino. Pós de alumínio foram colocados em ácido sulfúrico saturado com oxissulfato de titânio. Quando a alumina reage com o ácido sulfúrico, o excesso de água é liberado, o qual reage com o oxissulfato de titânio para formar uma casca sólida de hidróxido de titânio com espessura de 3 a 4 nanômetros. O que é surpreendente é que, embora esta casca sólida se forma quase instantaneamente, se as partículas permanecerem no ácido por mais algumas horas, o núcleo de alumínio encolhe continuamente para se tornar uma "gema de 30 nm", ", o que mostra que pequenos íons podem passar pela casca.

p As partículas são então tratadas para obter as partículas finais de casca de gema de alumínio-titânia (ATO). Depois de ser testado em 500 ciclos de carga e descarga, a concha de titânia fica um pouco mais espessa, Li diz, mas o interior do eletrodo permanece limpo, sem acúmulo de SEIs, provando que o invólucro envolve totalmente o alumínio enquanto permite que íons de lítio e elétrons entrem e saiam. O resultado é um eletrodo que dá mais de três vezes a capacidade da grafite (1,2 Ah / g) a uma taxa de carga normal, Li diz. Com taxas de carregamento muito rápidas (seis minutos para carga completa), a capacidade ainda é de 0,66 Ah / g após 500 ciclos.

p Os materiais são baratos, e o método de fabricação pode ser simples e facilmente escalável, Li diz. Para aplicações que requerem uma bateria de alta densidade de potência e energia, ele diz, "É provavelmente o melhor material de ânodo disponível." Os testes de células completas usando fosfato de lítio e ferro como cátodo foram bem-sucedidos, indicando que o ATO está muito perto de estar pronto para aplicações reais.

p "Essas partículas de casca de gema mostram um desempenho impressionante em testes em escala de laboratório, "diz David Lou, professor associado de engenharia química e biomolecular na Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura, que não estava envolvido neste trabalho. "Para mim, o ponto mais atraente deste trabalho é que o processo parece simples e escalável. "

p Há muito trabalho no campo da bateria que usa "síntese complicada com instalações sofisticadas, "Lou acrescenta, mas tais sistemas "provavelmente não terão impacto para baterias reais. ... Coisas simples têm um impacto real no campo das baterias". p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.