Novo estudo revela causas de quebra de bateria e estratégias de mitigação

Universidade de Chicago, Escola Pritzker de Engenharia Molecular, Chicago, IL
Jing Wang, pesquisador de pós-doutorado que trabalha na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e no Laboratório Nacional de Argonne, é o primeiro autor de um novo artigo que descobriu algumas das causas básicas - e maneiras de mitigar - as tensões nanoscópicas que podem levar à rachadura em uma forma cada vez mais popular de bateria para veículos elétricos e outras tecnologias. (Imagem:John Zich)
Uma nova pesquisa do Laboratório Nacional de Argonne e da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago resolveu um grande mistério da bateria que levou à degradação da capacidade, redução da vida útil e, em alguns casos, incêndio.

Em artigo publicado na Nature Nanotechnology , os investigadores descobriram algumas das causas profundas — e formas de mitigar — as tensões nanoscópicas que podem levar à fissuração numa forma cada vez mais popular de bateria para veículos eléctricos e outras tecnologias.

“A eletrificação da sociedade precisa da contribuição de todos”, disse um dos autores correspondentes Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow e Professor Adjunto da Universidade de Chicago, “Se as pessoas não confiam que as baterias sejam seguras e duradouras, elas não escolherão usá-las”.

Por causa dos problemas de rachaduras de longa data em baterias de íons de lítio que usam materiais policristalinos ricos em Ni (PC-NMC) em seus cátodos, os pesquisadores nos últimos anos se voltaram para óxidos em camadas ricos em Ni de cristal único (SC-NMC). Mas nem sempre mostraram desempenho semelhante ou melhor que o modelo mais antigo.

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

“Quando as pessoas tentam fazer a transição para cátodos monocristalinos, elas seguem princípios de design semelhantes aos dos policristais”, disse Wang, agora pesquisador de pós-doutorado trabalhando na Universidade de Chicago e Argonne. “Nosso trabalho identifica que o principal mecanismo de degradação das partículas monocristalinas é diferente das policristalinas, o que leva a diferentes requisitos de composição.”

“Não são apenas necessárias novas estratégias de design, mas também serão necessários materiais diferentes para ajudar as baterias de cátodo monocristalino a atingirem o seu pleno potencial”, disse Meng, que também é Diretor da Aliança de Pesquisa de Armazenamento de Energia (ESRA), com sede em Argonne. “Ao compreender melhor como os diferentes tipos de materiais catódicos se degradam, podemos ajudar a projetar um conjunto de materiais catódicos de alto funcionamento para as necessidades energéticas do mundo.”

À medida que uma bateria de cátodo policristal carrega e descarrega, as minúsculas partículas primárias empilhadas incham e encolhem. Esta expansão e contração repetidas podem alargar os limites dos grãos que separam os policristais, semelhante à forma como o congelamento e o descongelamento repetidos criam buracos nas ruas da cidade. “Normalmente, ele sofrerá expansão ou redução de volume de cerca de 5 a 10 por cento”, disse Wang. “Uma vez que uma expansão ou retração excede os limites elásticos, isso levará à quebra da partícula.”

Se as fissuras se alargarem demasiado, o electrólito pode entrar, o que pode levar a reacções secundárias indesejadas e à libertação de oxigénio, o que pode levantar preocupações de segurança, incluindo o risco de fuga térmica. Mas, salvo essas circunstâncias dramáticas, um efeito mais quotidiano é a degradação da capacidade – as baterias enfraquecem com o tempo, tornando-se cada vez mais incapazes de fornecer a mesma carga que entregavam quando eram novas. Como não são feitos de muitos cristais empilhados, os materiais catódicos de cristal único não têm esses limites de grão iniciais, mas ainda assim eram degradantes.

“Demonstramos que a degradação em cátodos NMC monocristalinos é predominantemente governada por um modo de falha mecânica distinto”, disse outro autor correspondente, Tongchao Liu, químico da Argonne. “Ao identificar este mecanismo anteriormente subestimado, este trabalho estabelece uma ligação direta entre a composição do material e as vias de degradação, fornecendo uma visão mais profunda sobre as origens da deterioração do desempenho nestes materiais.”

Usando técnicas de raios X síncrotron multiescala e um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução, eles descobriram que o craqueamento em cátodos de cristal único é impulsionado principalmente pela heterogeneidade da reação. As partículas sofriam reações em taxas diferentes, causando tensão não entre muitos cristais, como acontece com os designs policristais, mas dentro de um.

Os cátodos policristalinos são um equilíbrio de níquel, manganês e cobalto. O cobalto causa rachaduras, mas era necessário para mitigar um problema separado – a desordem Li/Ni.

Ao construir e testar uma bateria de níquel-cobalto (sem manganês) e uma bateria de níquel-manganês (sem cobalto), a equipe descobriu que, para cátodos de cristal único, o oposto era verdadeiro. O manganês era mais prejudicial mecanicamente do que o cobalto e o cobalto, na verdade, ajudava as baterias a durar mais.

O cobalto, entretanto, é mais caro que o níquel ou o manganês. Wang disse que o próximo passo da equipe para transformar esta inovação de laboratório em um produto do mundo real é encontrar materiais mais baratos que reproduzam os bons resultados do cobalto.

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

Para mais informações, entre em contato com Khalil Amine em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa ter o JavaScript habilitado para visualizá-lo.