Novo Estudo Revela Causas de Rachaduras em Baterias e Estratégias de Mitigação

Jing Wang, pesquisadora de pós-doutorado trabalhando com a Escola de Engenharia Molecular Pritzker da Universidade de Chicago e o Laboratório Nacional de Argonne, é a primeira autora de um novo artigo que descobriu algumas das causas raiz — e formas de mitigar — as tensões nanoscópicas que podem levar a rachaduras em uma forma cada vez mais popular de bateria para veículos elétricos e outras tecnologias. (Imagem: John Zich)

Descoberta Crucial para Baterias de Veículos Elétricos

Nova pesquisa do Laboratório Nacional de Argonne e da Escola de Engenharia Molecular Pritzker da Universidade de Chicago resolveu um grande mistério de bateria que levou a degradação de capacidade, vida útil encurtada e, em alguns casos, incêndio.

Em um artigo publicado na Nature Nanotechnology, pesquisadores descobriram algumas das causas raiz — e formas de mitigar — as tensões nanoscópicas que podem levar a rachaduras em uma forma cada vez mais popular de bateria para veículos elétricos e outras tecnologias.

"A eletrificação da sociedade precisa da contribuição de todos", disse um dos autores correspondentes Khalil Amine, Fellow Distinguido do Argonne e Professor Conjunto na Universidade de Chicago. "Se as pessoas não confiarem que as baterias são seguras e duradouras, não escolherão usá-las."

Transição de Catodos Policristalinos para Monocristalinos

Devido aos problemas duradouros de rachaduras em baterias de íon-lítio que usam materiais Ni-rich policristalinos (PC-NMC) em seus catodos, pesquisadores nos últimos anos voltaram-se para óxidos em camadas Ni-rich monocristalinos (SC-NMC). Mas eles nem sempre mostraram desempenho similar ou melhor que o modelo mais antigo.

A nova pesquisa, conduzida pela primeira autora Jing Wang durante seu período de doutorado, supervisionada conjuntamente pelo Laboratório de Armazenamento e Conversão de Energia da Professora Shirley Meng e pela equipe de Tecnologia Avançada de Baterias de Amine, revelou a questão subjacente: suposições tiradas de catodos policristalinos estavam sendo aplicadas incorretamente a materiais monocristalinos.

"Quando as pessoas tentam transicionar para catodos monocristalinos, têm seguido princípios de design similares aos policristalinos", disse Wang, agora pesquisadora de pós-doutorado trabalhando com a Universidade de Chicago e Argonne. "Nosso trabalho identifica que o principal mecanismo de degradação das partículas monocristalinas é diferente dos policristalinos, o que leva a diferentes requisitos de composição."

"Não apenas novas estratégias de design são necessárias, mas materiais diferentes também serão necessários para ajudar as baterias de catodo monocristalino a atingir seu potencial total", disse Meng, que também é Diretora da Aliança de Pesquisa em Armazenamento de Energia (ESRA), baseada no Argonne. "Ao entender melhor como diferentes tipos de materiais de catodo se degradam, podemos ajudar a projetar uma suíte de materiais de catodo de alto funcionamento para as necessidades energéticas do mundo."

Mecanismos de Degradação Diferentes

À medida que uma bateria de catodo policristalino carrega e descarrega, as minúsculas partículas primárias empilhadas incham e encolhem. Essa expansão e contração repetida pode alargar as fronteiras de grão que separam os policristais, similar a como congelamento e descongelamento repetidos colocam buracos nas ruas da cidade. "Tipicamente, sofrerá cerca de cinco a 10 por cento de expansão ou encolhimento de volume", disse Wang. "Uma vez que uma expansão ou encolhimento excede os limites elásticos, levará ao rachamento da partícula."

Se as rachaduras alargarem demais, o eletrólito pode entrar, o que pode levar a reações laterais indesejadas e liberação de oxigênio, o que pode levantar preocupações de segurança, incluindo risco de thermal runaway. Mas, exceto essas circunstâncias dramáticas, um efeito mais cotidiano é a degradação de capacidade — as baterias desvanecem com o tempo, tornando-se cada vez mais incapazes de entregar a mesma carga que faziam quando novas. Como não são feitas de muitos cristais empilhados, materiais de catodo monocristalino não têm aquelas fronteiras de grão iniciais, mas ainda se degradavam.

"Demonstramos que a degradação em catodos NMC monocristalinos é predominantemente governada por um modo distinto de falha mecânica", disse outro autor correspondente, Tongchao Liu, químico no Argonne. "Ao identificar este mecanismo anteriormente subestimado, este trabalho estabelece um link direto entre composição do material e vias de degradação, fornecendo insight mais profundo sobre as origens do decaimento de desempenho nestes materiais."

Usando técnicas de raio-X síncrotron multi-escala e microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução, eles descobriram que rachaduras em catodos monocristalinos são principalmente impulsionadas por heterogeneidade de reação. Partículas estavam sofrendo reações em taxas diferentes, causando tensão não entre muitos cristais como em designs policristalinos, mas dentro de um.

Descoberta Surpreendente: Cobalto vs. Manganês

Catodos policristalinos são um ato de equilíbrio de níquel, manganês e cobalto. O cobalto causa rachaduras, mas era necessário para mitigar um problema separado — desordem Li/Ni.

Ao construir e testar uma bateria níquel-cobalto (sem manganês) e uma bateria níquel-manganês (sem cobalto), a equipe descobriu que, para catodos monocristalinos, o oposto era verdadeiro. O manganês era mais prejudicial mecanicamente que o cobalto e o cobalto na verdade ajudava as baterias a durarem mais.

O cobalto, no entanto, é mais caro que níquel ou manganês. Wang disse que o próximo passo da equipe para transformar esta inovação de laboratório em um produto real é encontrar materiais menos caros que repliquem os bons resultados do cobalto.

"Avanços vêm em ciclos", disse Amine. "Você resolve um problema, depois passa para o próximo. Os insights delineados neste artigo colaborativo ajudarão futuros pesquisadores a criar materiais mais seguros e duradouros para as baterias de amanhã."

Para mais informações, contate Khalil Amine em este endereço de email.