Para melhorar a eficiência das baterias de lítio , os pesquisadores trabalham para melhorar seus principais componentes, atuando nos eletrodos ou no eletrólito que os separa (o meio à base de lítio que permite o transporte de íons entre o ânodo e o cátodo). Assim, muitos estudos se concentram em tentar mudar o eletrólito líquido para um sólido ou para modificar o produtos químicos de cátodo. Finalmente, como no caso deste novo estudo, a tarefa foi baseada em modificar o ânodo para evitar reações parasitárias que reduzem a eficiência.
A pesquisa foi realizada pela equipe de Zhengwen Fu, coautor do estudo e eletroquímico do Laboratório de Catálise Molecular e Materiais Inovadores da Universidade de Fudan. No artigo que descreve o processo, publicado na revista Nanopesquisa , um é explicado nova técnica de preparação de ânodo baseado em um material compósito silício-monóxido-carbono. Os resultados preliminares aumentam a eficiência das baterias sem o aparecimento de reações colaterais indesejadas.
ânodos de bateria de lítio
Até a década de 1990, os fabricantes de baterias usavam carvão de coque para criar a estrutura do ânodo das baterias (o terminal negativo por onde entra a corrente elétrica). No entanto, esse material começou a ser substituído por grafite uma forma de carbono, devido à estabilidade a longo prazo que oferece ao longo de muitos ciclos de carga e descarga.
Mas, para melhorar ainda mais o desempenho das baterias de íon-lítio, os fabricantes de baterias estão procurando alternativas ao ânodo. Devido à sua elevada capacidade específica (taxa de descarga) e à sua abundância na crosta terrestre, os materiais mais adequados são os compostos à base de silício. . Especificamente, o monóxido de silício tem se mostrado uma grande promessa para a próxima geração de baterias de íons de lítio.
A desvantagem é que este material por si só também tem uma série de desvantagens. Entre eles está o seu baixa condutividade e seu volume muda durante os ciclos de carga e descarga. Essas variações, de até 300%, resultam na destruição e desprendimento dos materiais anódicos, reduzindo radicalmente o desempenho.
“A solução é combinar o monóxido de silício em um material compósito com carbono, uma espécie de mistura entre o material do ânodo de grafite existente e o ânodo à base de silício da próxima geração”, diz Zhengwen Fu. “O complexo oferece o melhor dos dois mundos. Mas mesmo aqui, há muitos obstáculos a serem superados.”
O carbono oferece alta condutividade elétrica e estabilidade estrutural. Ele também experimenta menos expansão de volume durante o ciclismo. Sua flexibilidade e capacidade como lubrificante funcionam para inibir a expansão de volume do silício. Em geral, este ânodo composto oferece boa capacidade e alto desempenho de ciclo.
Mas todas essas vantagens não estão isentas de outras. desvantagens : os ânodos compostos por silício-monóxido-carbono sofrem uma eficiência coulômbica (relação entre a carga elétrica total colocada em uma bateria em comparação com a carga total extraída dela) relativamente baixa. Embora seja sempre retirado menos do que colocado, o objetivo é reduzir ao mínimo essas perdas inevitáveis.
A investigação
Durante o primeiro ciclo do protótipo da bateria de íons de lítio com um ânodo feito desse novo material, parte do lítio reagiu irreversivelmente com o composto. O resultado é uma série de produtos que formam uma camada entre a superfície do ânodo e a interface eletrolítica sólida (SEI). Este processo de ‘lititação’ parasitária resulta na perda de lítio ativo e diminuição da eficiência coulômbica.
Outros pesquisadores desenvolveram suas próprias técnicas de pré-litiação, usando lítio metálico puro, um lítio metálico modificado ou um composto contendo lítio. Em todos esses casos há limitações: compostos contendo lítio tendem a liberar um gás durante o ciclo após a lititação, o que reduz o desempenho do ânodo e a densidade de energia da bateria como um todo.
Para superar essas desvantagens, os pesquisadores desenvolveram uma nova técnica de ‘litiação prévia’ que armazena lítio adicional na bateria com antecedência e compensa o lítio consumido por reações parasitárias durante o ciclo da bateria.
O novo procedimento, que os pesquisadores apelidaram de “corrosão do lítio em estado sólido”, elimina todos esses problemas. Substitua o eletrólito líquido por um eletrólito sólido Composto de oxinitreto de fósforo e lítio incorporado em carbono (LiCPON). Desta forma, não só são evitadas reações secundárias indesejadas associadas ao lítio metálico, como também é criada uma melhor interface entre o ânodo e o eletrólito.
Durante a investigação, a equipe pôde verificar se o processo de litiação de estado sólido pré-corrosão estava funcionando conforme o esperado por meio de três métodos diferentes observar reações eletroquímicas em tempo real: imagem óptica, microscopia eletrônica e difração de raios X. A técnica aumentou a eficiência do ânodo em quase 83% em um eletrodo de pré-litiação com eletrólito líquido.
O conceito foi testado em pilhas botão, em pequena escala, para pesquisa e desenvolvimento de baterias de laboratório. A equipe de pesquisa agora passará para a próxima fase para ver se o processo é mantido em baterias de tamanho industrial.