p Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne fizeram progressos em direção a uma bateria de íon-lítio de maior capacidade para atender à crescente demanda dos consumidores. p Com o crescente número de veículos elétricos nas estradas e uma crescente dependência de eletrônicos de consumo, a demanda nunca foi maior para o desenvolvimento de baterias de íon-lítio (LIBs) que podem sustentar uma maior capacidade de energia, ou quantidade de carga armazenada na bateria.

p Uma maneira de aumentar a capacidade geral de energia dos LIBs é aumentar a capacidade de energia do ânodo, ou o eletrodo negativo. Nas últimas décadas, LIBs de última geração foram feitos com ânodos de grafite. A capacidade de energia da grafite é estável, o que significa que a capacidade não enfraquece, e o material não quebra mesmo após mais de 1000 ciclos completos de carga-descarga. Contudo, a grafite tem uma baixa capacidade teórica de energia, que não pode atender às crescentes demandas de energia da sociedade de hoje.

p Em um novo estudo, uma equipe liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstrou a capacidade aumentada de um novo potencial, material de ânodo de maior capacidade. Este material composto foi originalmente desenvolvido para baterias de íon de sódio, que são usadas com menos freqüência comercial do que as baterias de íon de lítio. Esse novo estudo buscou aplicar o material em baterias de íon-lítio.

p Recentemente, dois materiais estão na vanguarda da pesquisa para ânodos de bateria de próxima geração - silício e fósforo. Tanto o silício quanto o fósforo têm uma capacidade de energia teórica pelo menos 10 vezes maior que a do grafite, o que significa que eles podem ultrapassar os requisitos de capacidade de energia para LIBs. De acordo com o cientista de materiais sênior e Distinto Fellow Khalil Amine da Argonne, o pesquisador principal do estudo Argonne, o silício tem dois problemas principais. O primeiro problema envolve a expansão de alto volume quando o silício é litiado durante o carregamento, o que provavelmente faria com que o material do ânodo se partisse. A quebra levaria a uma perda de capacidade de energia, ele explicou.

p A segunda questão envolve um termo denominado eficiência coulômbica inicial (ICE). Quando uma bateria passa por um ciclo completo de carga e descarga, a saída de carga da bateria teoricamente deve corresponder à entrada de carga. Contudo, alguma energia na saída de carga é perdida para o lítio reagindo com o material do ânodo. Para desenvolver um LIB prático, a proporção da saída de carga em comparação com a entrada de carga no primeiro ciclo de carga-descarga deve estar acima de 90%. Essa proporção é o ICE. Com silício, o ICE é inferior a 80%, que Amine explicou torna inviável para uso prático.

p Em sua pesquisa, Amine, Gui-Liang Xu, químico de Argonne, e seus colegas exploraram dois tipos potenciais de fósforo:fósforo preto e vermelho. "O fósforo tem uma capacidade de energia muito alta, "Xu disse." Quando exploramos o material, descobrimos que nosso material anódico tem um ICE muito alto de mais de 90%. "

p Um ICE de mais de 90% demonstra que muito poucas reações colaterais ocorrem entre o material do ânodo e o eletrólito, portanto, não se perde muito lítio durante o carregamento e a descarga iniciais.

p A equipe criou seu próprio ânodo composto principalmente de fósforo preto - uma forma de fósforo altamente condutora com alta capacidade teórica - e compostos de carbono condutores.

p Para criar o composto, os pesquisadores moeram o material de fósforo a granel e o carbono condutor em partículas do tamanho de um micrômetro, o que aumenta a densidade do ânodo.

p Ao medir os ciclos de vida, ou o número total de vezes que uma bateria pode ser carregada e descarregada, Amine e seus colegas recorreram à Advanced Photon Source (APS) e Center for Nanoscale Materials (CNM) de Argonne, ambos DOE Office of Science User Facilities. Empregando difração de raios-X de fonte de luz de anel de armazenamento in-situ no APS e microscopia eletrônica de varredura in-situ no CNM, a equipe observou a fase do ânodo e a transformação do volume durante as repetidas cargas e descargas.

p "Argonne tem habilidades únicas disponíveis na APS e CNM, "Xu disse." Com a fonte de luz do anel de armazenamento, podemos sondar a transformação de fase durante a litiação e a deslitiação, o que nos permite ver a reversibilidade da reação. "

p Depois de mostrar a estabilidade do composto de fósforo preto, a equipe investigou um composto com fósforo vermelho em vez de fósforo preto. Fósforo preto, embora significativamente mais condutivo do que o fósforo vermelho, é muito caro para uso prático no mercado. Com o composto de fósforo vermelho, que é uma opção economicamente viável, a bateria mostrou estabilidade semelhante e alto ICE, com uma capacidade prática muito elevada.

p A equipe está trabalhando atualmente em um material composto feito principalmente de fósforo vermelho, e o material mostra resultados promissores, Xu disse. "Estamos tentando iniciar uma colaboração com parceiros da indústria para que possamos expandir este material, para que possa ser comercializado no futuro. "

p O artigo de pesquisa sobre o estudo, "Um ânodo prático à base de fósforo para baterias de íon-lítio de alta energia, "apareceu online em 26 de abril, 2020, em Nano Energia.