A descoberta dos detalhes das baterias de lítio

Bateria de lítio

Baterias de íon de lítio convencionais podem ser encontradas em uma variedade de eletrônicos, de smartphones a veículos elétricos. Embora as baterias de íon-lítio tenham permitido o uso generalizado de muitas tecnologias, elas ainda enfrentam desafios para alimentar veículos elétricos em longas distâncias.

Para satisfazer a necessidade crescente de energia os pesquisadores têm o desafio de obter ambientalmente fontes de energia renováveis com eletricidade aprimorada a custos moderados. No entanto, essas fontes de energia, como moinhos de vento ou células solares, são intrinsecamente intermitentes e, consequentemente, precisa ser associado a dispositivos de armazenamento de energia eficientes. Com relação a isso, as baterias de íon de lítio apresentam uma solução atrativa, desde que exibam potencial e capacidades gravimétricas/volumétricas suficientes.

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O grafite que geralmente é usado como eletrodo negativo com uma reação de intercalação de lítio não é adequado. Para superar essas restrições, novos conceitos para o eletrodo negativo devem ser desenvolvidos, ou seja, a reação de intercalação de Li / grafite precisa ser substituída por reações de liga ou de conversão com lítio. Anteriormente, óxidos metálicos, nitretos, sulfetos, fosfetos e fluoretos foram investigados sucessivamente como materiais de reação de conversão para os eletrodos negativos de Baterias de íon-lítio.

Uma equipe de pesquisadores liderada por químicos do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) identificou novos detalhes do mecanismo de reação que ocorre em baterias com ânodos de metal de lítio. As descobertas, publicadas hoje na Nature Nanotechnology, são um grande passo para o desenvolvimento de baterias menores, mais leves e mais baratas para veículos elétricos.

Para construir uma bateria mais adequada para veículos elétricos, pesquisadores de vários laboratórios nacionais e universidades formaram um consórcio chamado Battery500, liderado pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL). Seu objetivo é fazer células de bateria com densidade de energia de 500 watts-hora por quilograma, que é mais do que o dobro da densidade de energia das baterias de última geração. Para isso, o consórcio está se concentrando em baterias feitas com ânodos de metal de lítio. Em comparação com as baterias de íon-lítio, que na maioria das vezes usam grafite como ânodo, as baterias de metal de lítio usam metal de lítio como ânodo.

Os cientistas há muito reconheceram as vantagens dos ânodos de metal de lítio; na verdade, eles foram o primeiro ânodo a ser acoplado a um cátodo. Mas, devido à falta de reversibilidade, a capacidade de ser recarregado por meio de uma reação eletroquímica reversível, a comunidade das baterias acabou substituindo os ânodos de metal de lítio por ânodos de grafite, criando baterias de íon-lítio.

Agora, com décadas de progresso feito, os pesquisadores estão confiantes de que podem tornar os ânodos de metal de lítio reversíveis, ultrapassando os limites das baterias de íon de lítio. A chave é a interfase, uma camada de material sólido que se forma no eletrodo da bateria durante a reação eletroquímica.

Os resultados preliminares dos pesquisadores revelaram a existência de hidreto de lítio (LiH) na interfase. Por décadas, os cientistas debateram se LiH existia na interfase, deixando incerteza em torno do mecanismo de reação fundamental que forma a interfase. Dada essa controvérsia muitos desafios técnicos que diferenciam LiH de LiF, ainda precisam ser comprovados, como incluir experimentos levando-se em conta a exposição do ar.

Além de identificar a presença de LiH, a equipe também resolveu outro enigma antigo centrado em LiF. LiF foi considerado um componente favorecido na interfase, mas não foi totalmente compreendido porque isso acontece. A equipe de pesquisadores identificou diferenças estruturais entre o LiF na interfase e o LiF na massa, com o primeiro facilitando o transporte de íons de lítio entre o ânodo e o cátodo. Enfim, são resultados bastante interessantes para o futuro das baterias a base de lítio.

 

Fonte: Zulipiya Shadike, Hongkyung Lee, Oleg Borodin, Xia Cao, Xiulin Fan, Xuelong Wang, Ruoqian Lin, Seong-Min Bak, Sanjit Ghose, Kang Xu, Chunsheng Wang, Jun Liu, Jie Xiao, Xiao-Qing Yang, Enyuan Hu. Identification of LiH and nanocrystalline LiF in the solid–electrolyte interphase of lithium metal anodes. Nature Nanotechnology, 2021; DOI: 10.1038/s41565-020-00845-5

 

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