Ilhas de lítio inativo rastejam como vermes para se reconectar com seus eletrodos, restaurando a capacidade e a vida útil de uma bateria.
Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford acreditam ter descoberto um meio de reviver baterias de lítio recarregáveis, o que pode aumentar o alcance de carros elétricos e a vida útil da bateria em dispositivos eletrônicos de próxima geração.
À medida que as baterias de lítio circulam, pequenas ilhas de lítio inativo se formam entre os eletrodos, reduzindo a capacidade da bateria de manter a carga. No entanto, os pesquisadores descobriram que eles poderiam fazer esse lítio “morto” se arrastar como um verme em direção a um dos eletrodos até que ele se reconectasse, revertendo parcialmente o processo indesejável.
Adicionar essa etapa extra diminuiu a degradação de sua bateria de teste e aumentou sua vida útil em quase 30%.
“Agora estamos explorando a recuperação potencial da capacidade perdida em baterias de íons de lítio usando uma etapa de descarga extremamente rápida”, disse Fang Liu, pós-doutorando de Stanford, principal autor de um estudo publicado em 22 de dezembro em Natureza.
Uma animação mostra como carregar e descarregar uma célula de teste de bateria de lítio faz com que uma ilha de metal de lítio “morto” ou destacado se mova para frente e para trás entre os eletrodos. O movimento de íons de lítio para frente e para trás através do eletrólito cria áreas de carga negativa (azul) e positiva (vermelha) nas extremidades da ilha, que trocam de lugar à medida que a bateria carrega e descarrega. O lítio metálico acumula-se na extremidade negativa da ilha e dissolve-se na extremidade positiva; esse crescimento e dissolução contínuos causam o movimento de vai-e-vem visto aqui. Pesquisadores do SLAC e Stanford descobriram que adicionar uma breve etapa de descarga de alta corrente logo após o carregamento da bateria faz com que a ilha cresça na direção do ânodo, ou eletrodo negativo. A reconexão com o ânodo traz de volta à vida o lítio morto da ilha e aumenta a vida útil da bateria em quase 30%. Crédito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory.
Conexão perdida
Uma grande quantidade de pesquisas está procurando maneiras de fabricar baterias recarregáveis com peso mais leve, vida útil mais longa, segurança aprimorada e velocidades de carregamento mais rápidas do que a tecnologia de íons de lítio atualmente usada em telefones celulares, laptops e veículos elétricos. Um foco particular está no desenvolvimento de baterias de lítio-metal, que podem armazenar mais energia por volume ou peso. Por exemplo, em carros elétricos, essas baterias de próxima geração podem aumentar a quilometragem por carga e possivelmente ocupar menos espaço no porta-malas.
Ambos os tipos de bateria usam íons de lítio carregados positivamente que vão e voltam entre os eletrodos. Com o tempo, parte do lítio metálico torna-se eletroquimicamente inativo, formando ilhas isoladas de lítio que não se conectam mais aos eletrodos. Isso resulta em perda de capacidade e é um problema particular para a tecnologia de lítio-metal e para o carregamento rápido de baterias de íons de lítio.
No entanto, no novo estudo, os pesquisadores demonstraram que poderiam mobilizar e recuperar o lítio isolado para prolongar a vida útil da bateria.
“Sempre pensei no lítio isolado como ruim, pois faz com que as baterias se decomponham e até peguem fogo”, disse Yi Cui, professor de Stanford e SLAC e investigador do Instituto Stanford para Pesquisa de Materiais e Energia (SIMES), que liderou o estudo. pesquisar. “Mas descobrimos como reconectar eletricamente esse lítio ‘morto’ com o eletrodo negativo para reativá-lo.”
Rastejando, não morto
A ideia do estudo nasceu quando Cui especulou que a aplicação de uma voltagem no cátodo e no ânodo de uma bateria poderia fazer uma ilha isolada de lítio se mover fisicamente entre os eletrodos – um processo que sua equipe agora confirmou com seus experimentos.
Os cientistas fabricaram uma célula óptica com um cátodo de lítio-níquel-manganês-óxido de cobalto (NMC), um ânodo de lítio e uma ilha de lítio isolada no meio. Este dispositivo de teste permitiu rastrear em tempo real o que acontece dentro de uma bateria quando em uso.
Eles descobriram que a ilha isolada de lítio não estava “morta”, mas respondeu às operações da bateria. Ao carregar a célula, a ilha moveu-se lentamente em direção ao cátodo; ao descarregar, rastejou na direção oposta.
“É como um verme muito lento que avança com a cabeça e puxa a cauda para se mover nanômetro por nanômetro”, disse Cui. “Neste caso, ele transporta dissolvendo-se em uma extremidade e depositando material na outra extremidade. Se conseguirmos manter o verme de lítio em movimento, ele eventualmente tocará o ânodo e restabelecerá a conexão elétrica.”
Quando uma ilha de metal de lítio inativada viaja para o ânodo de uma bateria, ou eletrodo negativo, e se reconecta, ela volta à vida, contribuindo com elétrons para o fluxo de corrente da bateria e íons de lítio para armazenar carga até que seja necessário. A ilha se move adicionando metal de lítio em uma extremidade (azul) e dissolvendo-o na outra extremidade (vermelho). Pesquisadores do SLAC e Stanford descobriram que poderiam impulsionar o crescimento da ilha na direção do ânodo adicionando uma breve etapa de descarga de alta corrente logo após a carga da bateria. Reconectar a ilha ao ânodo aumentou a vida útil da célula de teste de íons de lítio em quase 30%. Crédito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Aumentando a vida útil
Os resultados, que os cientistas validaram com outras baterias de teste e por meio de simulações de computador, também demonstram como o lítio isolado pode ser recuperado em uma bateria real, modificando o protocolo de carregamento.
“Descobrimos que podemos mover o lítio destacado em direção ao ânodo durante a descarga, e esses movimentos são mais rápidos sob correntes mais altas”, disse Liu. “Então, adicionamos uma etapa de descarga rápida e de alta corrente logo após a carga da bateria, que moveu o lítio isolado o suficiente para reconectá-lo ao ânodo. Isso reativa o lítio para que ele possa participar da vida útil da bateria.”
Ela acrescentou: “Nossas descobertas também têm amplas implicações para o projeto e desenvolvimento de baterias de lítio-metal mais robustas”.
Este trabalho foi financiado pelo DOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Office of Vehicle Technologies sob os programas Battery Materials Research (BMR), Battery 500 Consortium e eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Li-ion baterias (XCEL).
Referência: “Progressão espacial dinâmica de lítio isolado durante operações de bateria” por Fang Liu, Rong Xu, Yecun Wu, David Thomas Boyle, Ankun Yang, Jinwei Xu, Yangying Zhu, Yusheng Ye, Zhiao Yu, Zewen Zhang, Xin Xiao, Wenxiao Huang , Hansen Wang, Hao Chen e Yi Cui, 22 de dezembro de 2021, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-021-04168-w
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