Três cátodos foram fabricados:um padrão nu (à esquerda), um revestido com uma camada de BaTiO 3 (meio), e um revestido com vários BaTiO 3 nanopontos (direita). Aquele com os nanopontos exibiu um desempenho bastante aprimorado. Crédito:Nano Cartas
Cientistas da Tokyo Tech e da Okayama University melhoraram muito o desempenho do LiCoO 2 cátodos em baterias de íon-lítio, decorando-as com BaTiO 3 nanodots. Mais importante, eles elucidaram o mecanismo por trás dos resultados medidos, concluindo que o BaTiO 3 os nanopontos criam uma interface especial através da qual os íons de lítio podem circular facilmente, mesmo com taxas de carga / descarga muito altas.
Hoje, avanços modernos em dispositivos elétricos e veículos criaram a necessidade de baterias aprimoradas em termos de estabilidade, recarregabilidade, e velocidades de carregamento. Embora as baterias de íon-lítio (LIBs) tenham se mostrado muito úteis, não é possível carregá-los com rapidez suficiente com altas correntes sem encontrar problemas como diminuições repentinas na ciclabilidade e capacidade de saída devido à sua alta resistência intrínseca e reações colaterais indesejadas.
Os efeitos negativos de tais reações indesejadas impedem LIBs usando LiCoO 2 (LCO) como um material catódico. Um deles envolve a dissolução da Co 4 + íons na solução eletrolítica da bateria durante os ciclos de carga / descarga. Outro efeito é a formação de uma interface de eletrólito sólido entre o material ativo e o eletrodo nessas baterias, o que dificulta o movimento dos íons de lítio e, portanto, degrada o desempenho.
Em um estudo anterior, cientistas relataram que o uso de materiais com alta constante dielétrica, como BaTiO 3 (BTO) melhorou o desempenho de alta taxa dos catodos LCO. Contudo, o mecanismo por trás das melhorias observadas não era claro. Para esclarecer esta abordagem promissora, uma equipe de cientistas da Tokyo Tech, liderado pelo Prof. Mitsuru Itoh, Dr. Shintaro Yasui e Sr. Sou Yasuhara, estudou cátodos LCO com BTO aplicado de maneiras diferentes para descobrir o que aconteceu na interface BTO-LCO em mais detalhes.
O BaTiO 3 os nanopontos concentram a corrente elétrica em um anel em torno deles e criam caminhos pelos quais os íons de lítio podem passar, mesmo com taxas de carga / descarga realmente altas. Crédito:Nano Cartas
A equipe criou três cátodos de LCO:um simples, um revestido com uma camada de BTO, e um coberto com nanopontos BTO (Figura 1). A equipe também modelou um catodo LCO com um único nanoponto BTO e previu que a densidade de corrente perto da borda do nanoponto BTO era muito alta. Esta área particular é chamada de interface de fase tripla (BTO-LCO-eletrólito), e sua existência melhorou muito o desempenho elétrico do cátodo coberto com nanopontos microscópicos de BTO.
Como esperado, depois de testar e comparar os três cátodos que prepararam, a equipe descobriu que aquele com uma camada de pontos BTO exibiu um desempenho muito melhor, tanto em termos de estabilidade quanto capacidade de descarga. "Nossos resultados demonstram claramente que a decoração com nanopontos BTO desempenha um papel importante na melhoria da ciclabilidade e na redução da resistência, "afirma Itoh. Percebendo que os pontos BTO tiveram um efeito crucial na motilidade dos íons de lítio no cátodo, a equipe procurou uma explicação.
Depois de examinar os resultados das medições, a equipe concluiu que os nanopontos de BTO criam caminhos pelos quais íons de lítio podem facilmente intercalar / desintercalar, mesmo com taxas de carga / descarga muito altas (Figura 2). Isso ocorre porque o campo elétrico se concentra em torno de materiais com uma alta constante dielétrica. Além disso, a formação de uma interface de eletrólito sólido é grandemente suprimida perto da interface de fase tripla, o que, de outra forma, resultaria em baixa ciclabilidade. "O mecanismo pelo qual a formação de uma interface de eletrólito sólido é inibida perto da interface de fase tripla ainda não está claro, "comenta Itoh.
Embora ainda haja muita pesquisa a ser feita sobre este tópico, os resultados são promissores e sugerem uma nova maneira de melhorar muito os LIBs. Este pode ser um passo significativo para atender às demandas de dispositivos modernos e futuros.
