Uma equipe da Universidade de Oxford desenvolveu uma técnica avançada que permite ver claramente um elemento importante dentro dos eletrodos de baterias de íons de lítio que os cientistas têm lutado para rastrear. Resultados, divulgados em 17 de fevereiro Comunicação da naturezaPode tornar a fabricação de baterias mais eficiente e ajudar a melhorar a velocidade de carregamento e a vida útil geral das baterias de íon-lítio.
A pesquisa se concentrou nos ligantes de polímero usados no eletrodo negativo (ânodo) das baterias de íon-lítio. Esses ligantes agem como uma cola que mantém os componentes do eletrodo unidos. Embora representem menos de 5% do peso total dos eletrodos, eles afetam fortemente a resistência mecânica, a condutividade elétrica e iônica e o tempo de operação de uma bateria por meio de ciclos de carga repetidos.
Como os ligantes estão presentes em quantidades tão pequenas e não possuem uma assinatura visual clara, os cientistas tiveram dificuldade em determinar exatamente onde estavam localizados nos eletrodos. Limitou os esforços para corrigir o desempenho da bateria, uma vez que a forma como os ligantes são distribuídos afeta diretamente a condutividade, a estabilidade estrutural e a durabilidade a longo prazo.
Técnica de coloração com patente pendente revela estruturas ocultas
Para superar esse obstáculo, os pesquisadores desenvolveram um método de coloração com patente pendente que anexa marcadores rastreáveis de prata e bromo a ligantes à base de celulose e látex amplamente utilizados em ânodos à base de grafite e silício. Uma vez marcados, os ligantes podem ser detectados porque emitem raios X característicos (medidos com espectroscopia de raios X com dispersão de energia) ou refletem elétrons de alta energia da superfície da amostra (medidos com imagens de elétrons retroespalhados com seleção de energia).
Quando vistos sob um microscópio eletrônico, esses sinais fornecem um mapa detalhado de onde elementos específicos estão localizados e como é a superfície do eletrodo. Isto permite aos cientistas analisar as distribuições de ligantes com maior precisão do que nunca.
O autor principal, Dr. Stanislaw Jankowski (Departamento de Materiais da Universidade de Oxford), disse:”Esta técnica de coloração abre uma caixa de ferramentas totalmente nova para a compreensão de como os ligantes modernos se comportam durante a fabricação do eletrodo. Pela primeira vez, podemos ver com precisão a distribuição desses ligantes não apenas em geral (ou seja, como sua camada de eletrodo). E aglomerados, e correlacioná-los com o desempenho do ânodo. “
O método funciona com eletrodos de grafite padrão, bem como com materiais avançados, como silício ou SiOx, tornando-o relevante tanto para baterias de íons de lítio atuais quanto para projetos de próxima geração.
Carregamento rápido e bateria de longa duração
Aplicando novas ferramentas de imagem, a equipe descobriu que mesmo mudanças sutis na distribuição do aglutinante podem alterar significativamente a eficiência e o tempo de carregamento de uma bateria. Em experimentos, ajustes nas etapas de mistura e secagem da pasta reduziram a resistência iônica interna dos eletrodos experimentais em até 40% – uma grande barreira para o carregamento rápido.
Os pesquisadores também capturaram imagens detalhadas da camada extremamente fina de aglutinante de carboximetilcelulose (CMC) que reveste as partículas de grafite. Esta técnica permitiu a detecção clara de camadas de CMC com apenas 10 nm de espessura e estruturas visualizadas abrangendo quatro ordens de grandeza em uma única imagem. As imagens revelaram que o que começa como um revestimento CMC uniforme pode se tornar peças irregulares e irregulares durante o processamento do eletrodo, o que pode prejudicar o desempenho e a estabilidade da bateria.
O co-autor Professor Patrick Grant (Departamento de Materiais da Universidade de Oxford) disse:”Este esforço multidisciplinar – extensa química, microscopia eletrônica, testes eletroquímicos e modelagem – resultou em uma abordagem de imagem inovadora que ajudará a compreender os principais processos de superfície que afetam as baterias, o que aumentará a longevidade e o desempenho da bateria. “
O trabalho foi apoiado pelo projeto NEXTROD da Faraday Institution e já gerou interesse significativo da indústria, incluindo grandes produtores de baterias e fabricantes de veículos elétricos.
