Rachaduras no lítio

Aug 22, 2023

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Em vez de serem apenas prejudiciais, as rachaduras no eletrodo positivo das baterias de íons de lítio reduzem o tempo de carga da bateria, mostra uma pesquisa realizada na Universidade de Michigan.

Isto vai contra a visão de muitos fabricantes de veículos eléctricos, que tentam minimizar as fissuras porque diminuem a longevidade da bateria.

“Muitas empresas estão interessadas em fabricar baterias de ‘milhões de milhas’ usando partículas que não quebrem. Infelizmente, se as rachaduras forem removidas, as partículas da bateria não serão capazes de carregar rapidamente sem a área de superfície extra dessas rachaduras”, disse Yiyang Li, professor assistente de ciência e engenharia de materiais e autor correspondente do estudo publicado na Energy and Ciencias ambientais.

“Em uma viagem, não queremos esperar cinco horas para o carro carregar. Queremos cobrar em 15 ou 30 minutos.”

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A equipe acredita que as descobertas se aplicam a mais da metade de todas as baterias de veículos elétricos, nas quais o eletrodo positivo – ou cátodo – é composto por trilhões de partículas microscópicas feitas de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto ou de óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio. Teoricamente, a velocidade com que o cátodo é carregado depende da relação superfície-volume das partículas. Partículas menores devem carregar mais rápido do que partículas maiores porque têm uma área superficial maior em relação ao volume, de modo que os íons de lítio têm distâncias mais curtas para se difundirem através deles.

No entanto, os métodos convencionais não podiam medir diretamente as propriedades de carga das partículas catódicas individuais, apenas a média de todas as partículas que compõem o cátodo da bateria. Essa limitação significa que a relação amplamente aceita entre a velocidade de carregamento e o tamanho das partículas do cátodo era apenas uma suposição.

"Descobrimos que as partículas do cátodo estão rachadas e têm superfícies mais ativas para absorver íons de lítio - não apenas na superfície externa, mas dentro das rachaduras das partículas", disse Jinhong Min, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais que trabalha no laboratório de Li. . “Os cientistas da bateria sabem que as rachaduras ocorrem, mas não mediram como essas rachaduras afetam a velocidade de carregamento.”

Medir a velocidade de carregamento de partículas catódicas individuais foi a chave para descobrir a vantagem da quebra de cátodos, o que Li e Min conseguiram inserindo as partículas em um dispositivo que é normalmente usado por neurocientistas para estudar como as células cerebrais individuais transmitem sinais elétricos.

“Quando eu estava na pós-graduação, um colega que estudava neurociência me mostrou essas matrizes que usavam para estudar neurônios individuais. Eu me perguntei se também poderíamos usá-los para estudar partículas de bateria, que são semelhantes em tamanho aos neurônios”, disse Li.

Cada matriz é um chip personalizado de 2 por 2 centímetros com até 100 microeletrodos. Depois de espalhar algumas partículas catódicas no centro do chip, Min moveu partículas individuais em seus próprios eletrodos na matriz usando uma agulha cerca de 70 vezes mais fina que um fio de cabelo humano. Uma vez que as partículas estivessem no lugar, Min poderia carregar e descarregar simultaneamente até quatro partículas individuais por vez na matriz e mediu 21 partículas neste estudo específico.

O experimento revelou que as velocidades de carregamento das partículas catódicas não dependiam de seu tamanho. Li e Min pensam que a explicação mais provável para este comportamento inesperado é que as partículas maiores na verdade se comportam como uma coleção de partículas menores quando se quebram. Outra possibilidade é que os íons de lítio se movam muito rapidamente nos limites dos grãos – os pequenos espaços entre os cristais em nanoescala que compõem a partícula catódica. Li acha que isso é improvável, a menos que o eletrólito da bateria – o meio líquido no qual os íons de lítio se movem – penetre nessas fronteiras, formando rachaduras.