Uma equipe da Universidade de Oxford desenvolveu uma técnica avançada que pode ver claramente uma parte vital dentro de um eletrodo de bateria de íons de lítio que os cientistas têm trabalhado para rastrear. As descobertas foram publicadas em 17 de fevereiro comunicações da naturezao que pode melhorar a eficiência da fabricação da bateria e ajudar a aumentar a velocidade de carregamento e a vida útil geral das baterias de íon-lítio.
A pesquisa se concentra em ligantes poliméricos usados no eletrodo negativo (ânodo) de baterias de íon-lítio. Esses ligantes agem como cola para manter os materiais do eletrodo unidos. Embora constituam menos de 5% do peso total do eletrodo, eles influenciam fortemente a resistência mecânica, a condutividade elétrica e iônica e o tempo de operação da bateria durante repetidos ciclos de carga.
Como a quantidade de ligante é tão pequena e não possui uma assinatura visual clara, é difícil para os cientistas determinarem sua localização exata dentro do eletrodo. Isto limita os esforços para ajustar o desempenho da bateria porque a forma como o aglutinante é distribuído afeta diretamente a condutividade, a estabilidade estrutural e a durabilidade a longo prazo.
Tecnologia de tingimento com patente pendente revela estruturas ocultas
Para superar esse obstáculo, os pesquisadores desenvolveram um método de tingimento 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 agentes de ligação 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 da localização de elementos específicos e da aparência da superfície do eletrodo. Isto permite aos cientistas analisar a distribuição do adesivo com mais precisão do que antes.
O autor principal, Dr. Stanislaw Zankowski (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 não apenas ver com precisão a distribuição geral desses ligantes (ou seja, sua espessura em todo o eletrodo), mas também localmente a distribuição de camadas e aglomerados de agentes nanocascata e correlacioná-los com o ânodo.
Este método funciona com eletrodos de grafite padrão, bem como com materiais avançados, como silício ou SiOx, tornando-o adequado para baterias atuais de íons de lítio e projetos de próxima geração.
Carregamento mais rápido e maior duração da bateria
Ao aplicar novas ferramentas de imagem, a equipe de pesquisa descobriu que mesmo mudanças sutis na distribuição do adesivo podem alterar significativamente a eficiência e a duração do carregamento da bateria. Nos testes, os ajustes nas etapas de mistura e secagem da pasta reduziram a resistência iônica interna dos eletrodos experimentais em 40%, um grande impedimento para o carregamento rápido.
Os pesquisadores também capturaram imagens detalhadas de uma camada extremamente fina de adesivo de carboximetilcelulose (CMC) que reveste as partículas de grafite. A tecnologia é capaz de detectar claramente camadas de CMC tão finas quanto 10 nm e visualizar estruturas que abrangem quatro ordens de grandeza em uma única imagem. As imagens mostram que durante o processamento do eletrodo, o revestimento uniforme do CMC pode se quebrar em fragmentos irregulares, 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 interdisciplinar – abrangendo química, microscopia eletrônica, testes eletroquímicos e modelagem – resultou em um método de imagem inovador que nos ajudará a compreender os principais processos de superfície que influenciam a vida útil e o desempenho da bateria. Isso impulsionará o progresso em uma ampla gama de aplicações de bateria. “
O trabalho é apoiado pelo programa Nextrode da Faraday Institution e já gerou interesse significativo da indústria, incluindo grandes produtores de baterias e fabricantes de veículos elétricos.
