As características extraordinárias da bateria de iões de lítio transformaram o nosso quotidiano como poucas outras invenções. Contudo, com o tempo, diversos fatores ocorrem e reduzem gradualmente a grande capacidade de armazenamento destas baterias.
Na Fonte de Neutrons de Investigação Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) da Universidade Técnica de Munique, o Dr. Anatoliy Senyshyn, cientista de instrumentos do difratómetro de pó de alta resolução SPODI, utilizou a dispersão de neutrões para investigar a causa destes efeitos nas baterias cilíndricas de iões de lítio.
Juntamente com outros cientistas, procura respostas para questões fundamentais sobre a estrutura e o comportamento das baterias recarregáveis de iões de lítio: Porque é que a capacidade disponível diminui com o tempo? Como é distribuído o lítio na bateria?
Porquê usar neutrões para investigar uma bateria recarregável?
A observação do interior de uma célula de iões de lítio durante o carregamento e a descarga — por exemplo, a decomposição do eletrólito ou a distribuição do lítio — é muito difícil a partir do exterior da célula devido à elevada reatividade dos seus componentes com o oxigénio e a humidade do ar.
Os neutrões são sensíveis a elementos mais leves, como o hidrogénio e o lítio. Portanto, podem tornar o lítio dentro de uma célula visível, permitindo a pesquisa em condições reais de funcionamento.
Outra vantagem de trabalhar com neutrões é que estes podem ser utilizados em ensaios não destrutivos. Por exemplo, os investigadores podem observar os processos internos da bateria a partir do exterior sem interferir com o sistema delicado.
Porque é que a capacidade da bateria diminui?
As células de iões de lítio produzem eletricidade quando os átomos de lítio libertam eletrões que fluem através de um dispositivo ligado. Ao mesmo tempo, dentro da bateria, um ião de lítio move-se de um elétrodo para outro; isto significa que existe sempre apenas a quantidade de eletrões disponível correspondente ao número de iões de lítio. Quando uma bateria recarregável perde capacidade, pode dizer-se que o lítio é "perdido". Mas para onde vai ele?
As experiências de espalhamento de neutrões nos instrumentos STRESS-SPEC e SPODI indicaram uma relação linear entre a perda de iões de lítio móveis e a decomposição do eletrólito, que ocorre, por exemplo, como uma reação secundária indesejada durante o carregamento.
Os produtos resultantes da decomposição do eletrólito aprisionam átomos de lítio que deixam de estar disponíveis como lítio móvel para serem trocados entre os dois elétrodos. Como resultado, a bateria perde capacidade: envelhece.
Como é distribuído o lítio?
Até agora, os modelos teóricos, os cálculos e as medições assumiam geralmente uma distribuição uniforme do lítio nestas baterias. No entanto, a investigação indica que o lítio é distribuído de forma muito desigual desde o início, e esta falta de homogeneidade aumenta com o tempo.
A modelação de baterias de iões de lítio pode ser melhorada se os desenvolvedores levarem em consideração esta distribuição desigual de lítio. Além disso, é possível fazer afirmações sobre a capacidade de armazenamento da célula de iões de lítio com base nesta distribuição. Estas descobertas fornecem uma base importante para o fabrico de baterias recarregáveis mais eficientes, com maior vida útil e melhor desempenho no futuro.
Publicações:
Dominik Petz, Martin J. Mühlbauer, Alexander Schökel, Klaus Achterhold, Franz Pfeiffer, Thilo Pirling, Michael Hofmann e Anatoliy Senyshyn.
Heterogeneidade da litificação da grafite nas mais modernas células cilíndricas de iões de lítio.
Drums and Supercaps, 28 de outubro de 2020 - DOI: 10.1002/batt.202000178
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/batt.202000178
MJ Mühlbauer, D. Petz, V. Baran, O. Dolotko, M. Hofmann, R. Kostecki, A. Senyshyn
Distribuição não homogénea de lítio e eletrólito em células cilíndricas de iões de lítio envelhecidas
Journal of Power Sources, 475 (2020) 228690 - DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228690
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228690
Mais informações:
Este trabalho foi financiado pelo Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), pela Fundação Alemã para a Investigação (DFG), pelo Ministério Federal da Educação e Investigação da Alemanha (BMBF) e pelo Centro Tecnológico Baviera-Califórnia (BaCaTeC), bem como pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, no âmbito das suas atividades de investigação sobre materiais avançados para baterias.
