Todas as vezes que você carrega suas baterias de íon de lítio, a capacidade de armazenamento delas cai um pouco. É por isso que nossos gadgets não aguentam tanto tempo vivos como aguentavam há um ano. Mas graças a uma pesquisa do Departamento de Energia dos EUA, nós finalmente descobrimos por que exatamente isso acontece e, o mais importante, como impedir que isso aconteça.
Conforme a bateria de íon delítio descarrega, o íon de lítio (Li+) carrega uma carga elétrica do ânodo para o cátodo através de um eletrólito não-aquoso. É isso o que alimente seu smartphone. Não é um sistema perfeitamente repetitivo, no entanto, e cada vez que os íons de lítio se movem através da bateria, eles causam algumas mudanças nas estruturas físicas dos eletrodos. É isso o que acaba com a capacidade da bateria.
Dois estudos recentes publicados pelo diário Nature Communications por equipe de cientistas dos laboratórios do Departamento de Energia dos EUA – incluindo Lawrence Berkeley, Brookhaven, SLAC e o National Renewable Energy Laboratory – observaram intensamente o processo e fizeram algumas descobertas surpreendentes.
“Descobrimos padrões de evolução e degradação surpreendentes e nunca vistos antes em dois materiais-chave das baterias”, explicou Huolin Xin, um cientista de materiais e co-autor dos estudos, em um comunicado. “Ao contrário da observação em grande escala, as reações do íon de lítio na verdade corroem os materiais de maneira não-uniforme, apoderando-se de vulnerabilidades intrínsecas na estrutura atômica da mesma forma que a ferrugem se arrasta de forma desigual em todo o aço. “Como os íons Li+ se movem através do ânodo de níquel-óxido quando estão se descarregando, isso causa rupturas no material, diminuindo sua capacidade.”
“Considere a forma como flocos de neve só se formam ao redor de pequenas partículas de poeira no ar”, Xin explica. “Sem uma irregularidade para se aproprias, os cristais não conseguem tomar forma. Nosso óxido de níquel só se transforma em níquel metálico através de heterogeneidades em nanoescala ou defeitos na estrutura de superfície, mais ou menos como fenas na armadura do ânodo.”
Por outro lado, conforme os íons de lítio se movem ao redor do cátodo quando carregados, eles geram uma espécie de sal-gema que forma uma crosta isolante elétrica, reduzindo também a sua capacidade.
“Conforme o lítio corre através das camadas de reação, eles causam aglomeração de cristalização – uma espécie de matriz de sal-gema se acumula ao longo do tempo e começa a limitar o desempenho”, disse Xin. “Descobrimos que essas estruturas tendem a se formar ao redor dos canais de reação do íon de lítio, e visualizamos isso diretamente sob o TEM [microscópio de transmissão de elétron]. O efeito foi ainda mais pronunciado em altas voltagens, explicando a deterioração mais rápida.”
Então agora que sabemos que essas baterias estão lentamente quebrando durante suas vidas operacionais, pesquisadores devem conseguir nivelar os dados para projetar novas baterias mais robustas.
“Pode ser possível usar deposição atômica para revestir os cátodos NMC com elementos que resistam à cristalização, criando limites em nanoescala dentro dos pós microscópicos necessários na indústria de ponta”, explicou Xin. “Na verdade, os especialistas em bateria do Berkley Lab já estão trabalhando nisso.”
Obviamente ainda demoraremos alguns anos antes de ver essa tecnologia revolucionária chegar ao mercado de consumo, e, quando chegar, estaremos um passo mais próximos de cortar nosso laços com fios de energia de vez. [Brookhaven via R&D Mag]
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