Pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA e da Universidade de Stanford podem ter encontrado uma maneira de revitalizar as baterias de lítio recarregáveis, aumentando potencialmente o alcance de veículos elétricos e a vida útil da bateria em dispositivos eletrônicos de última geração.
À medida que as baterias de lítio circulam, elas acumulam pequenas ilhas de lítio inativo que são cortadas dos eletrodos, diminuindo a capacidade da bateria de armazenar carga. Mas a equipe de pesquisa descobriu que eles poderiam fazer esse lítio “morto” rastejar como um verme em direção a um dos eletrodos até que ele se reconectasse, revertendo parcialmente o processo indesejado.
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, pesquisador de pós-doutorado de Stanford, principal autor de um estudo publicado em 22 de dezembro na Nature.
Uma grande parte da pesquisa está focada na busca de 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. pesquisa. “Mas descobrimos como reconectar eletricamente esse lítio ‘morto’ com o eletrodo negativo para reativá-lo.”
Rastejando, não morta
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.”
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.”
