Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne e da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago (UChicago PME) identificaram a origem de problemas de bateria de longa data ligados ao esgotamento da capacidade, redução da vida útil e, em alguns casos, incêndios. As descobertas esclarecem por que algumas baterias avançadas de íons de lítio falham mais rápido do que o esperado e como essas falhas podem ser reduzidas.
Este trabalho foi publicado em nanotecnologia da naturezaexplica como tensões internas extremamente pequenas podem se acumular dentro dos materiais da bateria e provocar ruptura. Estes efeitos são particularmente importantes para baterias utilizadas em veículos eléctricos e outras tecnologias exigentes, onde a durabilidade e a segurança são críticas.
“Eletrizar a sociedade exige a contribuição de todos”, disse o autor correspondente Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow e professor associado da Universidade de Chicago. “Se as pessoas não acreditarem na segurança e durabilidade das baterias, não escolherão usá-las”.
Por que os novos materiais de bateria são insuficientes
Durante anos, os engenheiros lutaram com problemas de rachaduras em baterias de íons de lítio que usam material rico em níquel policristalino (PC-NMC) como cátodo. Esses materiais são feitos de muitos grãos minúsculos agrupados e cargas e descargas repetidas podem quebrá-los. Para evitar esse problema, os pesquisadores recorreram a óxidos monocristalinos ricos em camadas ricos em níquel (SC-NMC), que não possuem limites internos de grão.
Apesar desta promessa, os cátodos de cristal único nem sempre funcionam conforme o esperado. Este novo estudo explica porquê. Esta pesquisa foi liderada por Jing Wang por meio do programa GRC enquanto ela era estudante de doutorado na Universidade de Chicago PME, e foi supervisionada conjuntamente pelo Laboratório de Armazenamento e Conversão de Energia da Professora Shirley Meng e pela Equipe de Tecnologia de Bateria Avançada da Amine.
A equipe descobriu que as regras de projeto desenvolvidas para cátodos policristalinos foram aplicadas incorretamente a materiais monocristalinos. Eles descobriram que essa incompatibilidade estava no cerne do problema de desempenho.
Através do programa GRC e da Rede de Transição Energética da Universidade de Chicago, Wang trabalha em estreita colaboração com cientistas de laboratórios nacionais e parceiros da indústria para impulsionar a investigação.
“Quando as pessoas tentaram fazer a transição para cátodos de cristal único, elas seguiram princípios de design semelhantes aos cátodos policristalinos”, disse Wang, pesquisador de pós-doutorado agora na Universidade de Chicago e no Laboratório Nacional de Argonne. “Nosso trabalho descobriu que os mecanismos primários de degradação das partículas monocristalinas são diferentes daqueles das partículas policristalinas, o que resulta em diferentes requisitos de composição.”
Repensando o design e os materiais da bateria
Essas descobertas desafiam as estratégias e suposições tradicionais de design de baterias sobre quais elementos ajudam ou prejudicam o desempenho. Em particular, a pesquisa remodela a compreensão de como o cobalto e o manganês afetam as falhas mecânicas nas baterias.
“Não são necessárias apenas novas estratégias de design, mas também materiais diferentes para ajudar as células catódicas monocristalinas a atingirem seu pleno potencial”, disse Meng, diretor da Aliança de Pesquisa de Armazenamento de Energia (ESRA) do Laboratório Nacional de Argonne. “Ao compreender melhor como os diferentes tipos de materiais catódicos se degradam, podemos ajudar a projetar um conjunto de materiais catódicos de alto desempenho para atender às necessidades energéticas do mundo.”
Como se formam rachaduras nos cátodos da bateria
Em cátodos policristalinos, a carga e a descarga fazem com que as partículas empilhadas se expandam e contraiam repetidamente. Com o tempo, esse movimento amplia as fronteiras entre as partículas, assim como os ciclos de congelamento e descongelamento danificam o pavimento.
“Normalmente, as vendas aumentam ou contraem cerca de 5% a 10%”, disse Wang. “Uma vez que a expansão ou contração excede o limite elástico, faz com que as partículas se quebrem.”
Quando a rachadura é grande o suficiente, o eletrólito líquido pode vazar para dentro. Isto pode desencadear reações químicas indesejadas e liberações de oxigênio, aumentando os riscos de segurança, incluindo fuga térmica. Mesmo sem uma falha grave, pode ocorrer uma perda gradual de capacidade à medida que a bateria perde lentamente a capacidade de reter a mesma carga.
Os cátodos de cristal único não contêm limites de grão, então os pesquisadores inicialmente esperavam evitar esses problemas. Em vez disso, descobriram que a degradação ainda ocorria, mas por razões diferentes.
Diferentes modos de falha em monocristais
A equipe do Laboratório Nacional de Argonne e do PME da Universidade de Chicago mostrou que os danos aos cátodos NMC de cristal único seguem um processo distinto de falha mecânica.
“Demonstramos que a degradação dos cátodos NMC monocristalinos é controlada principalmente por um modo de falha mecânica único”, disse Tongchao Liu, outro autor correspondente e químico do Laboratório Nacional de Argonne. “Ao identificar este mecanismo anteriormente subestimado, este trabalho estabelece uma ligação direta entre a composição do material e as vias de degradação, proporcionando uma compreensão mais profunda das origens da degradação do desempenho nestes materiais.”
Os pesquisadores usaram tecnologia de raios X síncrotron multiescala e microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução para observar que as reações dentro das partículas monocristalinas não ocorrem uniformemente. Diferentes regiões reagem em taxas diferentes, criando tensões internas dentro de partículas individuais, em vez de entre múltiplas partículas.
Requisitos de materiais opostos para células monocristalinas
Nos cátodos policristalinos, os engenheiros equilibram cuidadosamente o níquel, o manganês e o cobalto. O cobalto tende a promover rachaduras, mas também ajuda a reduzir um problema separado chamado distúrbio de lítio/níquel.
Para testar como esse equilíbrio muda em materiais monocristalinos, a equipe construiu e avaliou dois projetos experimentais. Um utiliza níquel e cobalto sem manganês, o outro utiliza níquel e manganês sem cobalto. Os resultados derrubaram o pensamento tradicional. Em cátodos de cristal único, o manganês causa mais danos mecânicos, enquanto o cobalto melhora a durabilidade e prolonga a vida útil da bateria.
O custo do cobalto permanece elevado em comparação com o níquel e o manganês. Wang disse que o próximo desafio é encontrar materiais mais acessíveis que ofereçam os mesmos benefícios que o cobalto.
“O progresso é cíclico”, disse Amin. “Você resolve um problema e depois passa para o próximo. Os insights descritos neste artigo colaborativo ajudarão futuros pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne, da Universidade de Chicago PME e de outros lugares a criar materiais mais seguros e duráveis para as baterias do futuro.”
