Cientistas de Stanford revitalizam baterias trazendo lítio ‘morto’ de volta à vida

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.”

Fonte: Laboratório Nacional Acelerador SLAC