Uma equipe da Universidade de Oxford criou uma técnica avançada que permite aos cientistas ver claramente um componente vital dentro dos eletrodos de uma bateria de íons de lítio que os cientistas lutam para rastrear. Resultados publicados em 17 de fevereiro em Comunicações da naturezapode tornar a fabricação de baterias mais eficiente e ajudar a melhorar a velocidade de carregamento e a vida útil geral das baterias de íons de lítio.
A pesquisa se concentrou em ligantes poliméricos usados nos eletrodos negativos (ânodos) de baterias de íon-lítio. Esses ligantes atuam como uma cola que mantém os materiais do eletrodo unidos. Embora representem menos de 5% do peso total do eletrodo, eles afetam muito a resistência mecânica, a condutividade elétrica e iônica e o tempo que a bateria pode durar sob repetidos ciclos de carga.
Como os ligantes estão presentes em quantidades tão pequenas e não possuem sinais visuais claros, os cientistas lutam para determinar exatamente onde estão no eletrodo. Isto limita os esforços para ajustar o desempenho da bateria, uma vez que a forma como os ligantes são distribuídos afeta diretamente a condutividade, a estabilidade estrutural e a durabilidade a longo prazo.
Técnica de coloração patenteada revela estrutura oculta
Para superar esse obstáculo, os pesquisadores desenvolveram uma abordagem de coloração proprietária que anexa marcadores rastreáveis de prata e bromo a ligantes amplamente utilizados à base de celulose e látex em ânodos à base de grafite e silício. Uma vez marcados, os ligantes podem ser detectados porque emitem raios X característicos (medidos por espectroscopia de raios X com dispersão de energia) ou refletem elétrons de alta energia da superfície da amostra (medidos por reflexão de elétrons dispersos com seleção de energia).
Quando vistos sob um microscópio eletrônico, esses sinais fornecem mapas detalhados de onde certos elementos estão localizados e como é a superfície do eletrodo. Isto permite aos cientistas analisar a distribuição do aglutinante com muito maior precisão do que antes.
O autor principal, Dr. Stanislaus Zankowski (Departamento de Materiais da Universidade de Oxford), disse:”Este método de coloração abre um novo conjunto de ferramentas para entender como os materiais de ligação modernos se comportam durante a produção de eletrodos. Pela primeira vez, podemos ver claramente a distribuição desses materiais de ligação não apenas em geral (ou seja, sua espessura no eletrodo), mas também localmente, como camadas em nanoescala e aglomerados de ligantes, e relacioná-los com o desempenho do ânodo. “
O método funciona com eletrodos de grafite padrão, bem como com materiais modernos, como silício ou SiOx, tornando-o relevante tanto para as baterias de íons de lítio atuais quanto para projetos de próxima geração.
Carregamento mais rápido e maior duração da bateria
Usando uma nova ferramenta de imagem, a equipe descobriu que mesmo pequenas mudanças na distribuição do aglutinante podem alterar significativamente a eficiência de carregamento e a vida útil da bateria. Durante os testes, ajustes nas etapas de mistura e secagem da suspensão reduziram a resistência iônica interna dos eletrodos experimentais em até 40% – o principal obstáculo ao carregamento rápido.
Os pesquisadores também obtiveram imagens detalhadas das camadas extremamente finas de aglutinante carboximetilcelulose (CMC) que cobrem as partículas de grafite. A técnica tornou possível detectar claramente camadas de CMC tão finas quanto 10 nm e visualizar estruturas abrangendo quatro ordens de grandeza em uma única imagem. As imagens mostraram que o que começa como um revestimento CMC uniforme pode quebrar em fragmentos irregulares e irregulares durante o processamento do eletrodo, o que pode comprometer o desempenho e a estabilidade da bateria.
O co-autor Professor Patrick Grant (Departamento de Materiais da Universidade de Oxford) disse:”Essa química interdisciplinar, microscopia eletrônica, testes eletroquímicos e modelagem levaram a uma abordagem de imagem inovadora que nos ajudará a compreender os principais processos de superfície que afetam a vida útil e o desempenho da bateria. Isso facilitará o progresso em uma ampla gama de aplicações de bateria. “
O trabalho foi apoiado pelo projeto Nextrode do Instituto Faraday e já atraiu interesse significativo da indústria, incluindo grandes fabricantes de baterias e fabricantes de veículos elétricos.
