.
Em vez de serem apenas prejudiciais, as rachaduras no eletrodo positivo das baterias de íon-lítio reduzem o tempo de carga da bateria, mostra uma pesquisa feita na Universidade de Michigan.
Isso vai contra a visão de muitos fabricantes de veículos elétricos, que tentam minimizar rachaduras porque diminuem a longevidade da bateria.
“Muitas empresas estão interessadas em fabricar baterias de ‘milhões de milhas’ usando partículas que não racham. 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 Environmental Sciences.
“Em uma viagem, não queremos esperar cinco horas para que um carro carregue. Queremos carregar em 15 ou 30 minutos.”
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 óxido de lítio, níquel e cobalto, alumínio. Teoricamente, a velocidade com que o cátodo carrega se reduz à proporção superfície-volume das partículas. As partículas menores devem carregar mais rápido do que as partículas maiores porque têm uma área de superfície maior em relação ao volume, de modo que os íons de lítio têm distâncias mais curtas para se difundir através delas.
No entanto, os métodos convencionais não podem medir diretamente as propriedades de carga das partículas individuais do cátodo, 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 da partícula do cátodo era apenas uma suposição.
“Descobrimos que as partículas do cátodo estão rachadas e têm superfícies mais ativas para receber 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 na Li’s laboratório. “Os cientistas da bateria sabem que a rachadura ocorre, mas não mediram como essa rachadura afeta a velocidade de carregamento.”
Medir a velocidade de carregamento de partículas de cátodo individuais foi a chave para descobrir o lado positivo dos cátodos de quebra, que Li e Min conseguiram inserindo as partículas em um dispositivo que normalmente é 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 eles 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 de cátodo no centro do chip, Min moveu partículas individuais para 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 estavam no lugar, Min podia 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 do cátodo não dependiam de seu tamanho. Li e Min acham que a explicação mais provável para esse comportamento inesperado é que partículas maiores realmente se comportam como uma coleção de partículas menores quando quebram. Outra possibilidade é que os íons de lítio se movam muito rapidamente nos contornos dos grãos – os pequenos espaços entre os cristais em nanoescala que compõem a partícula do cátodo. 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 nesses limites, formando rachaduras.
É importante considerar os benefícios dos materiais rachados ao projetar baterias de longa duração com partículas de cristal único que não racham. Para carregar rapidamente, essas partículas podem precisar ser menores do que as partículas de cátodo de craqueamento de hoje. A alternativa é fazer cátodos de cristal único com diferentes materiais que possam mover o lítio mais rapidamente, mas esses materiais podem ser limitados pelo suprimento de metais necessários ou ter densidades de energia mais baixas, disse Li.
O dispositivo foi construído na Lurie Nanofabrication Facility e estudado no Michigan Center for Materials Characterization.
A pesquisa foi financiada pela LG Energy Solution, Battery Innovation Contest e pela University of Michigan College of Engineering.
.
