Descoberto o principal obstáculo às baterias de maior duração
Os investigadores descobriram porque é que as baterias de LiNiO2 se avariam
O óxido de lítio-níquel (LiNiO2) surgiu como um potencial novo material para a próxima geração de baterias de iões de lítio de maior duração. No entanto, a comercialização deste material está parada porque se degrada após repetidos carregamentos.
Matthew Bergschneider, um estudante de doutoramento em ciência e engenharia de materiais, e os seus colegas de investigação descobriram a razão pela qual as baterias de óxido de lítio-níquel se avariam. Estão a testar uma solução que poderá eliminar um obstáculo fundamental à utilização generalizada do material.
The University of Texas at Dallas
Investigadores da Universidade do Texas, em Dallas, descobriram a razão pela qual as baterias de LiNiO2 se degradam e estão a testar uma solução que poderá eliminar um dos principais obstáculos à utilização generalizada do material. Os investigadores publicaram as suas descobertas em linha a 10 de dezembro na revista Advanced Energy Materials.
A equipa planeia produzir inicialmente baterias de LiNiO2 em laboratório e, eventualmente, trabalhar com um parceiro industrial para comercializar a tecnologia.
"A degradação das baterias fabricadas com LiNiO2 tem sido um problema desde há décadas, mas a causa ainda não foi bem compreendida", afirmou o Dr. Kyeongjae Cho, professor de ciência e engenharia dos materiais na Escola de Engenharia e Ciências Informáticas Erik Jonsson e diretor do programa Batteries and Energy to Advance Commercialisation and National Security (BEACONS). "Agora que sabemos porque é que isto acontece, estamos a trabalhar numa solução para que a tecnologia possa ser utilizada para prolongar a vida das baterias numa série de produtos, como telefones e veículos eléctricos".
A pesquisa é um projeto da iniciativa BEACONS da UTD, que foi lançada em 2023 com US $ 30 milhões do Departamento de Defesa. A missão da iniciativa BEACONS é desenvolver e comercializar novas tecnologias de bateria e processos de fabricação, melhorar a disponibilidade doméstica de matérias-primas críticas e treinar uma força de trabalho altamente qualificada para uma força de trabalho crescente de armazenamento de bateria.
Para descobrir por que razão as baterias de LiNiO2 se avariam na fase final do carregamento, os investigadores da UT Dallas utilizaram modelos informáticos para analisar o processo. O estudo envolveu a compreensão das reacções químicas e a redistribuição de electrões através dos materiais a nível atómico.
Nas baterias de iões de lítio, a corrente eléctrica flui de um condutor, o cátodo, um elétrodo positivo, para um ânodo, um elétrodo negativo. O ânodo é normalmente feito de carbono grafite, que mantém o lítio a um potencial mais elevado. Durante a descarga, os iões de lítio regressam ao cátodo através do eletrólito e enviam electrões para o cátodo que contém lítio, uma reação eletroquímica que gera eletricidade. Os cátodos são normalmente feitos de uma mistura de materiais que contêm cobalto, um material escasso que os cientistas estão a tentar substituir por alternativas como o óxido de lítio-níquel.
Os investigadores da UTD descobriram que uma reação química com átomos de oxigénio no LiNiO2 faz com que o material se torne instável e se parta. Para resolver o problema, desenvolveram uma solução teórica que reforça o material através da adição de um ião ou catião com carga positiva para alterar as propriedades do material e criar "pilares" para reforçar o cátodo.
Matthew Bergschneider, estudante de doutoramento em ciência e engenharia de materiais e primeiro autor do estudo, criou um laboratório robótico de prototipagem de baterias para explorar processos de síntese de alto rendimento para os cátodos de LiNiO2 desenvolvidos. As capacidades robóticas ajudarão na síntese, avaliação e caraterização dos materiais.
"Começaremos por fazer um pequeno lote e aperfeiçoar o processo", afirma Bergschneider, bolseiro de pós-graduação Eugene McDermott. "Depois, vamos aumentar a escala da síntese do material e fabricar centenas de baterias por semana nas instalações do BEACONS. Todos estes são passos no caminho para a comercialização".
Outros investigadores envolvidos no estudo incluem Fantai Kong PhD'17, Patrick Conlin PhD'22, Dr. Taesoon Hwang, Investigador em Ciência e Engenharia de Materiais, e Dr. Seok-Gwang Doo do Instituto Coreano de Tecnologia Energética.
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Publicação original
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