Rachadura em Li

just_super/iStock

Ao se inscrever, você concorda com nossos Termos de Uso e Políticas. Você pode cancelar a assinatura a qualquer momento.

Pesquisadores de todo o mundo estão em busca de novas tecnologias de bateria, com o objetivo principal de aumentar a densidade de energia e reduzir o tempo de carregamento. Num avanço significativo, um estudo realizado por uma equipe de cientistas da Universidade de Michigan descobriu que as rachaduras no eletrodo positivo das baterias de íon-lítio podem ajudar a reduzir o tempo de carga da bateria.

A percepção de rachaduras, geralmente conhecidas por reduzir a vida útil da bateria, foi resolvida usando uma técnica inspirada na neurociência. Isto contradiz as crenças de muitos fabricantes de automóveis eléctricos, que acreditam que a fissuração reduz a longevidade da bateria.

“Muitas empresas estão interessadas em fabricar baterias de ‘milhões de milhas’ usando partículas que não quebrem. Infelizmente, se as rachaduras forem removidas, as partículas da bateria não serão capazes de carregar rapidamente sem a área de superfície extra dessas rachaduras”, disse. Yiyang Li, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, em comunicado da universidade.

O estudo foi publicado na revista Energy and Environmental Sciences.

Os pesquisadores estimam que seu estudo será aplicado a mais da metade de todas as baterias de carros elétricos nas quais o eletrodo positivo (ou cátodo) é composto de bilhões de pequenas partículas formadas por óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto ou óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio.

"Teoricamente, a velocidade com que o cátodo carrega se resume à relação superfície-volume das partículas. Partículas menores deveriam carregar mais rápido do que partículas maiores porque têm uma área superficial maior em relação ao volume, então os íons de lítio têm distâncias mais curtas para difundir através deles."

As técnicas tradicionais, no entanto, não conseguiam detectar diretamente as características de carga das partículas catódicas individuais, apenas a média de todas as partículas que compõem o cátodo da bateria. Devido a esta restrição, a ligação comumente considerada entre a velocidade de carregamento e o tamanho das partículas do cátodo era apenas uma suposição.

"Descobrimos que as partículas do cátodo estão rachadas e têm superfícies mais ativas para absorver íons de lítio - não apenas na superfície externa, mas dentro das rachaduras das partículas. Os cientistas da bateria sabem que a rachadura ocorre, mas não mediram o quanto a rachadura afeta o carregamento velocidade", disse Jinhong Min, estudante de doutorado no departamento de ciência e engenharia de materiais envolvido no projeto.

Medir a velocidade de carregamento de partículas catódicas individuais foi fundamental para determinar o benefício da quebra de cátodos, que a equipe realizou introduzindo as partículas em um dispositivo que os neurocientistas usam rotineiramente para analisar como as células cerebrais individuais comunicam impulsos elétricos.

A equipe projetou arrays, que são dispositivos de 2 por 2 centímetros com até 100 microeletrodos. Uma agulha 70 vezes mais fina que um fio de cabelo humano foi usada para mover partículas individuais em seus eletrodos na matriz após dispersar várias partículas catódicas no centro do dispositivo. Eles poderiam carregar e descarregar até quatro partículas individuais por vez na matriz depois que as partículas estivessem no lugar, e esta investigação específica monitorou 21 partículas.

O experimento descobriu que as taxas de carga das partículas catódicas eram independentes de seu tamanho. A explicação mais plausível para este comportamento surpreendente é que as partículas maiores se comportam como um aglomerado de partículas menores quando se quebram. Outra teoria é que os íons de lítio viajam muito rápido nos limites dos grãos, que são as fendas microscópicas entre os cristais em nanoescala que constituem a partícula catódica. Li acredita que isso é improvável, a menos que o eletrólito da bateria – o meio líquido no qual os íons de lítio se movem – penetre esses limites e forme fissuras.

Segundo a equipe, as vantagens dos materiais fissurados devem ser consideradas na construção de baterias de longa duração com partículas monocristalinas que não se quebram. Essas partículas podem precisar ser menores do que as partículas catódicas prejudiciais de hoje para carregarem rapidamente. “A alternativa é fabricar cátodos monocristalinos com diferentes materiais que possam mover o lítio mais rapidamente, mas esses materiais podem ser limitados pelo fornecimento dos metais necessários ou ter densidades de energia mais baixas”, disse Li.