Observação em tempo real da dissolução de iões metálicos em cátodos de baterias de lítio utilizando a ressonância magnética
Esta técnica pode ajudar a compreender como funcionam as reacções nas baterias e a testar tecnologias alternativas de baterias
Muitos dos dispositivos que tornam a vida moderna cómoda e eficiente dependem de pilhas recarregáveis. As baterias de iões de lítio, um dos tipos mais utilizados, são baratas e funcionam com uma tensão de funcionamento elevada, o que as torna ideais para muitos dispositivos electrónicos e veículos eléctricos. No entanto, têm um problema recorrente de degradação do desempenho com a utilização repetida e há cada vez mais preocupações sobre a segurança da utilização destas baterias à medida que envelhecem
Ilustração de como a ressonância magnética foi utilizada para observar a dissolução de iões metálicos
©Hellar et al.
Uma das causas desta queda de desempenho é a dissolução dos iões metálicos do cátodo nos electrólitos da bateria. No entanto, tem sido difícil estudar este processo porque as quantidades produzidas durante a dissolução são muito pequenas. Para compreender o que acontece no cátodo da bateria, os investigadores precisam de saber onde, quando e em que medida ocorre a dissolução, antes de poderem resolver o problema.
Os investigadores da Universidade de Tohoku têm estado a trabalhar num método para detetar e analisar a dissolução do ião metálico no cátodo. Utilizando imagens de ressonância magnética (MRI), conseguiram observar a dissolução diretamente e em tempo real.
Os resultados da sua investigação foram publicados na revista Communications Materials em 13 de fevereiro de 2025.
De acordo com Nithya Hellar, investigadora do Instituto de Investigação Multidisciplinar de Materiais Avançados (IMRAM) da Universidade de Tohoku, "os resultados do presente estudo mostram que a dissolução de uma quantidade muito pequena de manganês (Mn) pode ser detectada com elevada sensibilidade por ressonância magnética e visualizada em tempo real, o que pode acelerar consideravelmente a velocidade da investigação".
A ressonância magnética é uma técnica de imagiologia médica que utiliza campos magnéticos e ondas de rádio para criar exames de imagem. Para melhorar a visibilidade das áreas de interesse numa imagem de RM, são utilizados agentes de contraste como o gadolínio. O gadolínio é paramagnético e pode alterar as propriedades magnéticas das áreas-alvo, aumentando a sua visibilidade na RM.
O grupo da Universidade de Tohoku conseguiu utilizar este princípio da RMN, uma vez que o Mn dissolvido do cátodo é paramagnético. Especificamente, investigaram a dissolução do Mn2+ do cátodo LiMn2O4 do tipo espinélio num eletrólito de bateria LiPF6 EC:DMC disponível no mercado. Assim, se a dissolução ocorresse, seria percetível nas imagens de RMN através de um aumento da intensidade do sinal, e foi exatamente isso que observaram. A utilização da ressonância magnética permitiu-lhes observar a dissolução diretamente e em tempo real.
Os investigadores utilizaram esta técnica para investigar se um sistema eletrolítico alternativo poderia suprimir a dissolução. Com a ajuda da RMN, puderam observar a dissolução do ião metálico. Também se conclui que a dissolução não ocorreu se o sinal não aumentou. Testaram o sistema de eletrólito LiTFSI MCP desenvolvido por investigadores do centro de investigação de baterias MEET (Munster Electrochemical Energy Technology) da Universidade de Münster, que supuseram suprimir a dissolução do ião metálico. A intensidade do sinal na ressonância magnética não aumentou significativamente. Concluíram, assim, que não houve dissolução.
A aplicação deste método de ensaio fornece uma ajuda inestimável aos investigadores na "investigação da dissolução de iões metálicos em qualquer sistema eletroquímico sob várias condições electroquímicas, tais como a alteração da solução electrolítica, do sal, dos eléctrodos e dos aditivos. Este método de identificação pode ajudar a desenvolver materiais para baterias de lítio e melhorar o seu desempenho", afirma Junichi Kawamura, professor emérito da Universidade de Tohoku.
Olhando para o futuro, é muito promissor que esta técnica possa ajudar os investigadores a compreender como funcionam as reacções nestas baterias e a testar tecnologias de baterias alternativas. "Acreditamos que o método aqui desenvolvido pode responder à questão há muito não respondida de quando, onde e como ocorre a dissolução de iões metálicos no elétrodo das baterias de iões de lítio, e que pode ser alargado a outros sistemas electroquímicos", afirma Hellar.
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