"Avanço significativo:" A solução de revestimento pode levar a maior alcance e maior duração

Novas pesquisas sobre as razões pelas quais o revestimento de íons de lítio ocorre nas baterias podem abrir a porta para um carregamento mais rápido de veículos elétricos, maior autonomia e maior vida útil das baterias.

O revestimento de íons de lítio surgiu como um problema para as baterias de veículos elétricos porque pode afetar o desempenho, acelerar lentamente, impactar velocidades de carregamento rápidas e, em alguns casos, representar um risco maior de incêndio e segurança.

Um novo estudo, publicado na Nature, sugere que uma solução, ajustando a microestrutura de um ânodo de grafite e alterando a forma como a bateria é carregada, poderia reduzir a quantidade de revestimento de íons de lítio que ocorre ao longo do tempo.

“Auxiliados por um modelo de bateria 3D pioneiro, podemos capturar quando e onde o revestimento de lítio é iniciado e com que rapidez ele cresce”, diz o líder do estudo, Dr. Xuekun Lu, da Queen Mary University of London.

“Este é um avanço significativo que pode ter um grande impacto no futuro dos veículos elétricos.”

O revestimento de lítio ocorre quando os íons de lítio se acumulam em algumas partes da superfície do ânodo.

Geralmente é causado pelo carregamento em baixas temperaturas ou pelo uso de altas correntes – um requisito da infraestrutura de carregamento rápido – quando a superfície do ânodo está temporariamente saturada com íons de lítio. Em vez de “intercalar” ou entrar na estrutura do ânodo, os íons se acumulam no exterior como uma camada metálica.

Com o tempo, pequenas acumulações poderão ser removidas em descargas posteriores, mas outras vezes a nova camada tornar-se-á auto-reforçada.

Uma vez iniciado, ele consome lítio que poderia ser usado na bateria, reduz a porosidade do ânodo para a entrada de outros íons de lítio e reduz a área no ânodo que pode reagir.

O que isso significa agora é um desempenho reduzido da bateria, a ponto de poder diminuir a capacidade de aceleração de um veículo elétrico (EV), e uma vida útil mais curta para a unidade. Em alguns casos, pode causar curto-circuitos e incêndios.

A pesquisa sobre como corrigir isso, usando modelagem de campo de fase microestrutural resolvida em 3D de alta fidelidade, foi realizada por uma colaboração de pesquisadores do Reino Unido e dos EUA vindos de uma série de instituições célebres – como o MIT, a Faraday Institution, Oxford e Beijing. Instituto de Tecnologia, entre outros.

O que eles descobriram é que as partículas que compõem o ânodo não são uniformes e, portanto, tornam mais ou menos provável que os íons de lítio se intercalem facilmente, ou não.

Manipular as partículas do ânodo para que fiquem mais uniformes em vez de serem distribuídas aleatoriamente permitiria uma reação mais homogênea entre os íons de lítio e o ânodo e evitaria a formação de uma camada de lítio em algumas áreas, mas não em outras, diz Lu.

No entanto, isso também é bastante desafiador.

Outra solução mais simples seria alterar a velocidade de funcionamento dos carregadores.

O estudo descobriu que a tensão de corrente constante não é adequada para carregamento rápido devido à alta corrente que precisa ser usada.

Uma série de opções diferentes já foram avaliadas por pesquisadores de outros lugares, como corrente pulsada, corrente variada, corrente constante de vários estágios ou um perfil híbrido que combina diferentes modos.

Os autores do estudo dizem que para uma carga completa muito rápida em 20 minutos, deve haver um período de descanso de 3 minutos a 45 por cento do estado de carga (SOC) para um eletrodo com capacidade real de até 2 mAh cm-2 (capacidade de descarga por area da unidade).

Para um eletrodo de 3 mAh cm-2, o tempo de relaxamento ideal é de 45% de SOC para uma carga de 20 minutos, 30% de SOC para uma carga que leva mais 30 minutos e 20% de SOC para uma carga que leva 60 minutos. minutos.

Ao dar tempo à bateria para “relaxar”, dá tempo ao ânodo para absorver os íons de lítio, ajuda na recuperação, removendo qualquer lítio revestido que seja reversível, e reduz a perda de capacidade no momento, interrompendo a formação de assim. chamado “lítio morto”.

Rachel Williamson é jornalista científica e de negócios que se concentra em questões ambientais e de saúde relacionadas às mudanças climáticas.