No final dos anos 1970, M. Stanley Whittingham foi o primeiro a descrever o conceito de baterias recarregáveis ??de íons de lítio, uma conquista pela qual ele dividiria o Prêmio Nobel de Química de 2019. No entanto, nem mesmo ele poderia ter previsto os desafios complexos da ciência dos materiais que surgiriam à medida que essas baterias chegassem para alimentar os eletrônicos portáteis do mundo.
Um problema técnico persistente é que toda vez que uma nova bateria de íon de lítio é instalada em um dispositivo, até cerca de um quinto de sua capacidade de energia é perdido antes que o dispositivo possa ser recarregado pela primeira vez. Isso é verdade quer a bateria seja instalada em um laptop, câmera, relógio de pulso ou mesmo em um novo veículo elétrico.
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A causa são as impurezas que se formam nos cátodos ricos em níquel – o lado positivo (+) de uma bateria, por meio do qual sua energia armazenada é descarregada.
Para encontrar uma maneira de reter a capacidade perdida, Whittingham liderou um grupo de pesquisadores que incluía seus colegas da Universidade Estadual de Nova York em Binghamton (SUNY Binghamton) e cientistas do Departamento de Energia (DOE’s) Brookhaven (BNL) e Oak Ridge Laboratórios Nacionais (ORNL). A equipe usou raios-x e nêutrons para testar se o tratamento de um material catódico principal – um material em camadas de níquel-manganês-cobalto chamado NMC 811 – com um óxido de nióbio livre de lítio levaria a uma bateria mais duradoura.
Os resultados do estudo, “Qual é o papel do Nb em cátodos de óxido em camadas ricos em níquel para baterias de íon-lítio?” aparecem nas cartas de energia ACS.
“Testamos NMC 811 em um material de cátodo de óxido em camadas após prever que o óxido de nióbio sem lítio formaria um revestimento de óxido de nióbio de lítio nanométrico na superfície que conduziria íons de lítio e permitiria que penetrassem no material do cátodo”, disse Whittingham, agora um distinto professor da SUNY e diretor do Centro Nordeste para Armazenamento de Energia Química (NECCES), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do DOE liderado por SUNY Binghamton.
As baterias de lítio têm cátodos feitos de camadas alternadas de materiais de óxido de lítio e níquel (compostos químicos contendo pelo menos um átomo de oxigênio), porque o níquel é relativamente barato e ajuda a fornecer maior densidade de energia e maior capacidade de armazenamento a um custo menor do que outros metais.
Mas o níquel nos cátodos é relativamente instável e, portanto, reage facilmente com outros elementos, deixando a superfície do cátodo coberta por impurezas indesejáveis ??que reduzem a capacidade de armazenamento da bateria em 10-18% durante seu primeiro ciclo de carga-descarga. O níquel também pode causar instabilidade no interior da estrutura do cátodo, o que reduz ainda mais a capacidade de armazenamento durante longos períodos de carga e descarga.
Para entender como o nióbio afeta os materiais catódicos ricos em níquel, os cientistas realizaram estudos de difração de pó de nêutrons no difratômetro de materiais de engenharia VULCAN na Fonte de Nêutrons de Espalação (SNS) do ORNL. Eles mediram os padrões de difração de nêutrons de NMC 811 puro e amostras modificadas com nióbio.
“Os nêutrons penetraram facilmente no material do cátodo para revelar onde os átomos de nióbio e lítio estavam localizados, o que proporcionou uma melhor compreensão de como funciona o processo de modificação do nióbio”, disse Hui Zhou, gerente de instalação de bateria da NECCES. “Os dados de espalhamento de nêutrons sugerem que os átomos de nióbio estabilizam a superfície para reduzir a perda do primeiro ciclo, enquanto em temperaturas mais altas os átomos de nióbio deslocam alguns dos átomos de manganês mais profundamente dentro do material do cátodo para melhorar a retenção de capacidade a longo prazo.”
Os resultados do experimento mostraram uma redução na perda de capacidade do primeiro ciclo e uma retenção de capacidade melhorada a longo prazo de mais de 93 por cento em 250 ciclos de carga-descarga.
“As melhorias observadas no desempenho eletroquímico e na estabilidade estrutural tornam o NMC 811 modificado com nióbio um candidato como material catódico para uso em aplicações de alta densidade de energia, como veículos elétricos”, disse Whittingham. “Combinar um revestimento de nióbio com a substituição de átomos de nióbio por átomos de manganês pode ser a melhor maneira de aumentar a capacidade inicial e a retenção de capacidade de longo prazo. Essas modificações podem ser facilmente ampliadas usando os atuais processos de fabricação de várias etapas para materiais NMC.”
Whittingham acrescentou que a pesquisa apóia os objetivos do Consórcio Battery500, um programa multi-institucional liderado pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do DOE para o Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE. O programa está trabalhando para desenvolver células de bateria de metal de lítio de próxima geração que entregam até 500 watts-hora por quilograma, em comparação com a média atual de cerca de 220 watts-hora por quilograma.
A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, Escritório de Tecnologias de Veículos, e usou recursos na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II (NSLS-II) do BNL e na Fonte de Nêutrons de Espalação do ORNL.
SNS e NSLS-II são instalações do usuário do DOE Office of Science. UT-Battelle LLC gerencia ORNL para o DOE Office of Science. O Office of Science é o maior patrocinador da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo.
Fonte: Scitechdaily
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