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– Quando os íons de lítio são forçados rapidamente através de uma bateria, eles podem ficar presos e se transformar em metal de lítio, não podendo mais se mover através da bateria.
Cortesia da Universidade de Oslo por Eivind Torgersen: Imagine poder re-abastecer seu carro elétrico enquanto faz uma parada para um lanche rápido ou reabastecer seu telefone enquanto escova os dentes. O carregamento rápido é uma espécie de Santo Graal. É o que todo mundo que possui um dispositivo baseado em bateria de íon de lítio quer ser capaz de fazer, de acordo com o engenheiro sênior David Wragg do Centro de Ciência de Materiais e Nanotecnologia da Universidade de Oslo.
Dentro da bateria, entretanto, há uma grande quantidade de química complicada que pode ser sensível à rapidez com que é carregada. As coisas podem dar errado. “A perda de capacidade é a mais crítica”, disse Wragg a Titan.uio.no.
“É possível fazer baterias com capacidade muito alta que permitem que você dirija seu carro elétrico por 1000 km, mas depois de carregá-lo e descarregá-lo algumas vezes, você perderia cerca de metade dessa capacidade e alcance.
Todas as baterias recarregáveis se deterioram com o tempo, mas esse efeito negativo é ainda mais forte quando a bateria é submetida a um carregamento rápido. Wragg é um dos pesquisadores por trás de um estudo que mostra por quê.
Eles puderam ver que os íons de lítio, que são tão importantes para a capacidade de uma bateria, são convertidos em metal de lítio puro e não são mais úteis. E o mais importante: este efeito é bastante reforçado pelo carregamento rápido.
A bateria é como uma cadeira de balanço
De um lado da bateria está o ânodo e do outro lado está o cátodo. Ambos os eletrodos podem armazenar elétrons e íons. Entre eles está um separador e um eletrólito líquido que ajuda os íons de um lado ao outro.
Íons e elétrons se movem de um lado para o outro da bateria quando você usa a corrente armazenada lá e de volta quando você a recarrega. “Eles chamam isso de mecanismo da cadeira de balanço, onde você balança os íons e os elétrons de um lado para o outro. Quando estão frescas e funcionam perfeitamente, as baterias podem armazenar uma certa quantidade de íons, e essa é a capacidade total do sistema”, diz Wragg.
Quando os íons, que costumavam se mover para frente e para trás, se transformam em metal, eles não são mais capazes de se mover através da bateria. Os íons são carregados e podem ser atraídos para frente e para trás. Os átomos de metal são neutros e não podem ser tentados em nenhuma direção.
“Uma vez que o lítio é transformado em metal, ele não está mais acessível para a reação eletroquímica. Essa capacidade é completamente perdida”, diz Wragg. Isso acontece com todas as baterias recarregáveis de íon de lítio quando você as carrega muitas vezes. Mas por que fica pior quando você carrega rápido?
Gargalos durante o carregamento rápido
Durante o carregamento rápido, o mesmo número de íons se move pelo sistema, mas muito mais rápido. Todos os íons devem encontrar seu lugar no ânodo em um tempo muito mais curto.
“Quando você carrega com o dobro da velocidade, precisa mover a mesma quantidade de íons e elétrons na metade do tempo”, diz Wragg. Se você carregar quatro ou seis vezes mais rápido, será naturalmente ainda mais difícil.
“É difícil porque há certos limites na química que ocorre quando você tenta colocar íons de lítio em um material de eletrodo sólido muito rápido”, diz Wragg.
Os ânodos, que recebem íons durante o carregamento, são feitos de grafite, formada por finas camadas de carbono. O ânodo consiste em vários milhões dessas camadas.
“O grafite vazio é como um baralho de cartas e os íons de lítio são como pequenas bolas sendo empurradas para os espaços entre as cartas. O problema é que você pode obter gargalos ao tentar empurrar os íons de lítio entre as camadas de grafite.
“Você continua empurrando os íons, mas a menos que os íons que já estão entre as camadas possam entrar mais profundamente na pilha, não há espaço para novos íons entrarem. Quando você carrega a bateria muito rápido, o lítio não se espalha por todo o eletrodo de grafite. Ele simplesmente fica preso perto do eletrólito, onde o ânodo e o cátodo são separados. ”
Íons de lítio se acumulam
É especialmente aqui, nesses gargalos, que os íons carregados se tornam átomos neutros e se acumulam em minúsculos pedaços de metal. Os íons não se movem mais, ao mesmo tempo que a energia é aplicada. Esse excesso de energia pode ser o que transforma um íon em um átomo neutro e estável.
“É chamado de revestimento de lítio. É quando os íons de lítio, em vez de permanecer na forma iônica, se transformam em metal de lítio. Isso é conhecido há muito tempo, mas não foi realmente observado em uma bateria em funcionamento antes ”, diz Wragg.
Isso, no entanto, Wragg e seus colegas conseguiram fazer. Usando raios X, eles escanearam as baterias a cada 25 milissegundos, uma e outra vez, enquanto carregavam rapidamente em taxas diferentes. Isso deu a eles uma grande quantidade de dados sobre o que está acontecendo até o nível atômico.
“Nós realmente podíamos ver o revestimento de lítio se acumulando. Durante o carregamento rápido, pudemos ver a quantidade de lítio aumentando muito rápido. Nossa teoria é que isso tem algo a ver com esse gargalo de íons de lítio. Vemos muitos íons de lítio perto do separador e é aqui também que vemos o revestimento de lítio ”, diz Wragg.
“O mais provável é que esses íons de lítio se acumulem e eles não consigam mais chegar ao grafite. Eles ficam presos lá e há muito calor, muita energia sendo colocada neles, e então eles são reduzidos a metal de lítio. ”
Eles viram como as camadas de grafite mais próximas do outro eletrodo eram muito ricas em lítio, enquanto nas profundezas quase não havia lítio. Piorava quanto mais rápido eles carregavam. “Quanto mais rápido você empurra, mais rápido o revestimento ocorre”, diz Wragg.
O futuro: nanotubos e grafeno?
O estudo não é de forma alguma o fim do carregamento rápido. Significa apenas que os pesquisadores devem encontrar soluções novas e melhores. “O ponto principal disso é que as pessoas que fazem baterias tentem descobrir maneiras de melhorar o transporte de lítio para que, quando você estiver carregando rápido, haja mais chance de o lítio realmente passar por todo o ânodo de grafite” , Diz Wragg.
Pesquisadores em todo o mundo estão procurando novos materiais e métodos que possam fazer com que as baterias resistam melhor ao carregamento rápido. “Por exemplo, há muitas pessoas usando nanotubos de carbono. Nanotubos de carbono é o que você obtém se você pegar uma das cartas e enrolá-la em um tubo. É como um grafite que foi formado em tubos em vez de um pouco achatado. “
Wragg e colegas da Universidade de Oslo estão trabalhando com grafeno, folhas únicas de grafite, no ânodo.
“O grafite é conhecido há centenas de anos. O grafeno e os nanotubos de carbono são conhecidos há cerca de 30 anos, por isso leva tempo ”. Até agora, nenhuma dessas inovações apareceu em baterias comerciais. “Mas isso vai acontecer, sem dúvida”.
Artigo científico: Donal P. Finegan, David S. Wragg et.al: Dinâmica espacial de litiação e revestimento de lítio durante a operação de alta taxa de eletrodos de grafite. Energy & Environmental Science, julho de 2020.
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