A vida útil de um é medido pela quantidade de ciclos de carga e descarga que apóia sem valorizar um degradação excessiva em sua capacidade energética. Este processo torna o materiais ativos de cátodo e ânodo para expandir e contrair. Essas alterações de volume causam danos que, com o tempo, fazem com que a bateria perca capacidade energética, diminuindo a autonomia do veículo em que está instalada.
Uma equipe de cientistas da Universidade de Chicago usou uma combinação de técnicas microscopia eletrônica de alta potência e modelagem computacional compreender, a nível atómico, como evolui o processo de degradação. Sua pesquisa pode ajudar a projetar baterias de lítio mais duradouras.
“Para enfrentar muitos dos desafios de armazenamento de energia, devemos continuar inovando e melhorando as baterias”, diz ele. Y.Shirley Meng pesquisador principal, no comunicado de imprensa oficial da Universidade de Chicago descrevendo pesquisa publicada na revista Joule .
O processo de degradação
lítio É um metal muito leve com uma alta densidade de energia em relação ao peso. Quando uma bateria é carregada, os íons de lítio passam do cátodo carregado positivamente para o ânodo carregado negativamente. Para liberar energia, os íons retornam do ânodo para o cátodo. Ao acumular ciclos, os materiais ativos no cátodo e no ânodo são expandir e contrair quebrando as partículas e causando outros danos físicos que, com o tempo, prejudicam o funcionamento das baterias de íon-lítio.
A tecnologia mostra como evitar a degradação
Até o momento, vários estudos caracterizaram a trinca e a degradação de partículas de eletrodos pequenos e finos, que são utilizados em baterias com baixa capacidade energética. No entanto, no baterias maiores como os utilizados em veículos elétricos, é comum o uso de eletrodos grossos e com maior densidade de energia.
“A cinética de um eletrodo grosso é bem diferente da de um eletrodo fino”, explica. minghaozhang, coautor do artigo. “Na verdade, a degradação é muito pior em eletrodos mais espessos e de maior energia.” Seu estudo quantitativo é mais complicado porque as ferramentas que antes funcionavam para estudar eletrodos finos “não conseguem captar as estruturas de materiais maiores e mais densos”, acrescenta.
Neste novo trabalho, Meng, Zhang e seus colaboradores da empresa de biotecnologia Thermo Fisher Scientific voltaram-se para a microscopia eletrônica de varredura por feixe de íons com foco em plasma (PFIB-SEM). A técnica PFIB-SEM permite visualizar as mudanças que ocorrem dentro desses catodos espessos obtendo uma imagem em ultra alta resolução da estrutura tridimensional de um material.
Os pesquisadores compararam um novo cátodo com outro que foi carregado e descarregado 15 vezes. Com eles, a equipe construiu os modelos de computador ilustrando o processo de degradação do cátodo das baterias.
conclusões do estudo
O resultado da investigação revela que a variação na arquitetura de diferentes áreas da bateria é o que promoveu muitas das mudanças estruturais. A corrosão eletrolítica ocorre com mais frequência em uma folha fina na superfície do cátodo. Este revestimento superior desenvolve uma camada resistente mais espessa, o que faz com que o inferior se expanda e contraia mais do que outras partes do cátodo, acelerando a degradação.
O modelo também indica a importância do CBD : uma grade porosa de fluoropolímero e átomos de carbono que mantém os materiais ativos de um eletrodo juntos e ajuda a conduzir eletricidade através da bateria. Em investigações anteriores não foi possível caracterizar sua degradação durante o uso da bateria. No entanto, este trabalho sugere que o enfraquecimento dos contatos entre o CBD e os materiais ativos do cátodo leva diretamente à diminuição do desempenho das baterias.
As baterias do futuro
Com este modelo de cátodo virtual, o grupo estudou os ajustes a serem feitos no projeto do eletrodo para evitar sua degradação. Ele mostrou que mudar a rede da estrutura do CBD pode ajudar a evitar a deterioração dos contatos entre ela e os materiais ativos, aumentando a vida útil das baterias.
Com essa hipótese, os engenheiros podem traduzir a ideia em experimentos físicos. A equipe agora está usando a mesma abordagem para estudar cátodos ainda mais grossos e trabalhando em modelos adicionais para retardar a degradação dos eletrodos.