Apesar dos avanços tecnológicos na química da bateria de lítio e nos sistemas de recarga de veículos elétricos conseguiram aumentar a velocidade de recarga, não é possível manter essa alta potência por muito tempo, então continua a ser um processo lento através de muitas fases. Uma equipe de pesquisadores do Argonne National Laboratory pertencente ao Departamento de Energia dos Estados Unidos descobriu as razões pelas quais isso acontece e propor uma série de ações para resolvê-lo. Durante o processo de carga e descarga, uma série de comportamentos químicos em um dos terminais que compõem a bateria dificulta seu carregamento rápido.
O laboratório Argonne trabalhou com uma equipe de cientistas da Universidade de Illinois Urbana-Champaign para usar uma técnica chamada varredura de nanodifração de elétrons. Graças a ele, é possível observar o que acontece durante o processo de agrupamento dentro do ânodo, o eletrodo de bateria carregado negativamente. Esse processo ocorre quando os íons de lítio que viajam pelo eletrólito, o material entre os dois eletrodos, se inserem no grafite. que é o material com o qual a estrutura do anodo geralmente é criada.
Quando esse processo ocorre corretamente, a bateria pode ser carregada e descarregada sem complicações. No entanto, o processo de intercalação depende da velocidade de carregamento. Se uma bateria for carregada muito rapidamente, a intercalação pode ser interrompida por várias reações químicas que podem prejudicar significativamente o desempenho da bateria.
Intercalação de íons de lítio (em verde) em um ânodo de grafite. Esta pesquisa detectou algumas das reações químicas que ocorrem durante esse processo e que explicam por que as baterias demoram para carregar.
Um desses reações disruptivas é o que causa um efeito que os pesquisadores chamaram “chapeamento”, que ocorre quando os íons de lítio se acumulam no topo da superfície do ânodo, conforme explicado por Daniel Abraham, cientista e pesquisador do Laboratório Argonne. Este processo pode danificar irreparavelmente a bateria : “O revestimento é uma das principais causas de deterioração do desempenho durante o carregamento rápido.”
Os cientistas também observaram que a recarga rápida também causa um acúmulo de materiais dentro dos poros do eletrodo, o que faz com que o ânodo expanda seu volume e, por fim, reduza o desempenho da bateria. Outro processo nocivo que foi observado durante essas obras é uma mudança no nível atômico nas partículas de grafite do ânodo. A rede de átomos de grafite localizada nas bordas das partículas é distorcida pelo carregamento rápido repetido, dificultando o processo de intercalação, acrescenta Abraham. “Basicamente, o que vemos é a rede atômica no grafite se deformando, e isso impede que os íons de lítio encontrem seu lugar.”
Conclusões e soluções
Pesquisas mostram que, para manter suas condições de desempenho, as baterias de íon-lítio eles precisam ser recarregados lentamente. “Quanto mais rápido uma bateria carrega, mais desordenado atomicamente o ânodo se torna, impedindo que os íons de lítio se movam para frente e para trás”, explica Abraham.
Para resolver este problema, os cientistas devem brinque com a química do ânodo e o material usado para criar sua estrutura, para obter um processo de intercalação suave. “A chave é encontrar uma maneira de evitar que essa interrupção seja criada, modificando de alguma forma as partículas de grafite para que os íons de lítio possam se intercalar com mais eficiência”.