.
Os cientistas projetaram uma célula especial para observar o transporte de íons de lítio entre o ânodo e o cátodo em uma bateria de lítio-enxofre de estado sólido. Como o lítio dificilmente pode ser detectado com métodos de raios-x, os físicos HZB Dr. Robert Bradbury e Dr. Ingo Manke examinaram a célula de amostra com nêutrons, que são extremamente sensíveis ao lítio. Em conjunto com o Dr. Nikolay Kardjilov, HZB, eles usaram métodos de radiografia de nêutrons e tomografia de nêutrons no instrumento CONRAD2 na fonte de nêutrons de Berlim BER II1. Grupos de Giessen (JLU), Braunschweig (TUBS) e Jülich (FZJ) também estiveram envolvidos no trabalho.
Íons de lítio observados diretamente
“Agora temos uma ideia muito melhor do que está limitando o desempenho da bateria”, diz Bradbury: “Vemos dos dados da radiografia de nêutrons operando que há uma frente de reação de íons de lítio se propagando através do cátodo composto, confirmando a influência negativa de uma baixa eficácia iônica condutividade.” Além disso, as imagens de tomografia de nêutrons 3D mostram lítio aprisionado concentrado próximo ao coletor de corrente durante a recarga. “Isso resulta em uma capacidade reduzida porque apenas parte do lítio é transportada de volta quando a bateria é carregada.”
A distribuição de lítio observada foi um ajuste excelente para um modelo baseado na teoria de eletrodos porosos: “O que observamos aqui nos dados de imagem de nêutrons se correlaciona bem com as condições de condutividade eletrônica e iônica relevantes do modelo”, diz Bradbury.
Gargalo identificado
Esses resultados revelam um gargalo de desenvolvimento anteriormente negligenciado para baterias de estado sólido, mostrando que existem limitações nos compósitos catódicos devido ao transporte iônico lento. O desafio agora é permitir uma entrega mais rápida de íons dentro do composto catódico. “Sem a visualização direta da frente de reação dentro do composto catódico, esse efeito poderia ter passado despercebido, apesar de sua importância para o desenvolvimento de baterias de estado sólido”, diz Bradbury.
Nota de rodapé 1: Os experimentos ocorreram no final de 2019, antes do desligamento da fonte de nêutrons BER II. O trabalho será continuado no futuro como parte do grupo de pesquisa conjunto “NI-Matters” entre HZB, o Institut Laue-Langevin (França) e a Universidade de Grenoble (França).
.
