Pesquisadores de CaltechO campus e o JPL trabalharam juntos para desenvolver uma técnica para aplicar grafeno a cátodos de baterias de íons de lítio, o que aumentará a vida útil e a funcionalidade dessas populares baterias recarregáveis, de acordo com um estudo publicado no Jornal da Sociedade Eletroquímica em 1º de novembrost2024.
Como resultado destes esforços, foi feita uma descoberta promissora que poderá melhorar o desempenho das baterias de iões de lítio e diminuir a dependência do cobalto, um elemento frequentemente encontrado em baterias de iões de lítio, mas difícil de adquirir de forma sustentável.
David Boyd, cientista pesquisador sênior da Caltech, passou os últimos dez anos desenvolvendo métodos para produzir grafeno, uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura, extremamente forte e mais eletricamente condutora do que materiais como o silício. Boyd e associados descobriram que o grafeno de alta qualidade poderia ser produzido à temperatura ambiente em 2015. Anteriormente, eram necessárias temperaturas de até 1.000 graus Celsius para produzir grafeno.
Após essa conquista, os pesquisadores começaram a procurar novas aplicações para o grafeno. Boyd recentemente se uniu a Will West, tecnólogo do JPL, que o Caltech administra para a NASA. West é especializado em eletroquímica, especificamente no desenvolvimento de tecnologias aprimoradas de baterias. Boyd e West decidiram descobrir se o grafeno poderia melhorar as baterias de íons de lítio. Eles demonstraram que sim.
Demonstrar uma tendência confiável no desempenho das células da bateria requer materiais consistentes, montagem consistente das células e testes cuidadosos sob diversas condições. É uma sorte que a equipe tenha conseguido fazer esse trabalho de forma tão reprodutível, embora tenha demorado algum tempo para ter certeza.
Brent Fultz, Barbara e Stanley R. Rawn, Jr., Professor de Ciência de Materiais e Física Aplicada, Instituto de Tecnologia da Califórnia
A bateria de iões de lítio, que foi inicialmente introduzida no mercado em 1991, transformou a forma como utilizamos a eletricidade na nossa vida quotidiana. Desde telemóveis a veículos eléctricos, contamos com baterias de iões de lítio como uma fonte de energia de baixo custo, eficiente em termos energéticos e, o mais importante, recarregável quando em viagem.
Apesar de suas conquistas, a tecnologia das baterias de íons de lítio ainda tem oportunidades de avanço.
Os engenheiros da Tesla desejam uma bateria econômica que possa carregar rapidamente e operar por um longo período de tempo entre as cargas. Isso é chamado de capacidade de taxa de cobrança.
David Boyd, cientista pesquisador, Instituto de Tecnologia da Califórnia
Will West, tecnólogo do JPL, acrescentou: “Quanto mais vezes você puder carregar uma bateria durante sua vida útil, menos baterias você precisará usar. Isto é importante porque as baterias de íons de lítio utilizam recursos limitados e o descarte seguro e eficaz de células de íons de lítio é uma tarefa muito desafiadora.”
O desempenho das baterias de íons de lítio durante vários ciclos de uso e carregamento é uma característica essential. O cátodo e o ânodo, as duas extremidades da bateria, geram energia química que é então transformada em energia elétrica para alimentar a bateria. Os produtos químicos do ânodo e do cátodo podem não retornar inteiramente ao seu estado inicial, pois operam com o tempo.
A dissolução do metallic de transição do materials catódico é um problema frequente. É mais grave em materiais catódicos com alto teor de manganês, mas menos grave em materiais com alto teor de cobalto.
Boyd acrescentou: “Como resultado de reações colaterais indesejadas que ocorrem durante o ciclo, os metais de transição no cátodo acabam gradualmente no ânodo, onde ficam presos e reduzem o desempenho do ânodo.”
Esta dissolução de metais de transição (TMD) é responsável pelo uso de cátodos caros contendo cobalto, em vez de cátodos de baixo custo com alta concentração de manganês.
Outra dificuldade das baterias de iões de lítio é que requerem metais escassos e caros que não são necessariamente extraídos de forma ética. Uma parte significativa do fornecimento mundial de cobalto está concentrada na República Democrática do Congo, e grande parte dele é extraído pelos chamados mineiros artesanais: trabalhadores independentes, incluindo crianças, que realizam trabalho físico perigoso e exigente por pouco ou nenhum pagamento.
A busca tem sido por soluções para melhorar o desempenho da bateria e, ao mesmo tempo, reduzir ou eliminar o uso de cobalto e prevenir DTMs.
Digite o grafeno. Os engenheiros descobriram anteriormente que os revestimentos de carbono no cátodo de uma bateria de íons de lítio podem atrasar ou interromper o TMD, mas estabelecer um método para aplicar esses revestimentos revelou-se problemático.
“Os pesquisadores tentaram depositar o grafeno diretamente no materials do cátodo, mas as condições do processo normalmente necessárias para depositar o grafeno destruiriam o materials do cátodo. Nós investigamos uma nova técnica para depositar grafeno nas partículas catódicas chamada revestimento seco. A ideia é que você tenha uma substância “hospedeira” de partículas grandes e uma substância “convidada” de partículas minúsculas. Ao misturá-los sob certas condições, o sistema pode sofrer um fenômeno conhecido como “mistura ordenada”, no qual as partículas hóspedes revestem uniformemente as partículas hospedeiras.”, acrescentou Boyd.
A tecnologia de revestimento seco tem sido usada no setor farmacêutico desde a década de 1970 para proteger os comprimidos da umidade, da luz e do ar, prolongando sua vida útil.
Boyd acrescentou: “Esta é uma boa ideia que podemos usar com o grafeno! Podemos primeiro fabricar partículas hóspedes de grafeno – nanopartículas encapsuladas de grafeno (GEN) – usando nosso método de temperatura ambiente e, em seguida, revestir a seco uma quantidade muito pequena delas (1 por cento em peso) no materials do cátodo hospedeiro para que o grafeno cubra e proteja efetivamente. o cátodo.”
O revestimento a seco do cátodo com um composto de grafeno funcionou bem no experimento. A cobertura de grafeno reduziu significativamente o TMD, ao mesmo tempo que dobrou a vida útil do ciclo celular e permitiu que as baterias funcionassem em uma faixa de temperatura um pouco mais ampla do que period possível anteriormente. Este resultado surpreendeu os pesquisadores.
Foi previsto que apenas uma cobertura contínua poderia inibir a TMD, enquanto um revestimento à base de partículas secas não poderia. Além disso, como o grafeno é um tipo de carbono, ele está prontamente disponível e é ecologicamente correto.
Essa abordagem oferece benefícios extras para a indústria de baterias.
Boyd acrescentou: “As fábricas de baterias são muito caras. Muito dinheiro foi investido neles. Portanto, é muito importante que as tecnologias aprimoradas de baterias sejam escalonáveis e possam se adequar aos fluxos de trabalho da fabricação de baterias existentes. Podemos pegar quase qualquer materials catódico e adicionar apenas uma pequena quantidade do nosso GEN, executá-lo por alguns minutos no misturador seco, e isso reduzirá a dissolução do metallic de transição e melhorará a capacidade da taxa de carga..”
Boyd concluiu: “Isto também representa um avanço para as tecnologias de revestimento em geral. Abre muitas possibilidades para o uso de revestimentos secos.”
Boyd; Fultz; Cullen M. Quine (PhD ’23); o cientista pesquisador da equipe da Caltech, Channing Ahn; e West e Jasmina Pasalic do JPL são os coautores do estudo.
Lewis e Diane van Amerongen, bem como Charles Fairchild, financiaram generosamente a pesquisa. O equipamento foi fornecido pela Graph Power Inc. A NASA financiou os experimentos realizados no JPL.
Referência do periódico:
Boyd, DA et. tudo. (2024) Supressão da dissolução de metais de transição em cátodos de óxido em camadas ricos em Mn com revestimentos secos de nanocompósitos de grafeno. Jornal da Sociedade Eletroquímica. doi.org/10.1149/1945-7111/ad867f