Novo método de preparação melhora a vida útil da bateria em até 44%

Por Rice University 8 de julho de 2023

Pesquisadores da Rice University desenvolveram um método escalável para aumentar a vida útil das baterias de íons de lítio usando pré-litiação, um processo que reveste ânodos de silício com partículas metálicas de lítio estabilizadas, melhorando a vida útil da bateria em até 44%.

O potencial das baterias de ânodo de silício para transformar soluções de armazenamento de energia é fundamental para abordar os objetivos climáticos e concretizar plenamente as capacidades dos veículos elétricos.

No entanto, a perda persistente de iões de lítio em ânodos de silício é um obstáculo significativo ao desenvolvimento de baterias de iões de lítio de próxima geração.

Cientistas da Escola de Engenharia George R. Brown da Rice University desenvolveram um método prontamente escalonável para otimizar a pré-litiação, um processo que ajuda a mitigar a perda de lítio e melhora os ciclos de vida da bateria ao revestir ânodos de silício com partículas metálicas de lítio estabilizadas (SLMPs).

Quan Nguyen (à esquerda), Sibani Lisa Biswal e colaboradores desenvolveram uma técnica de pré-litiação que ajuda a melhorar o desempenho de baterias de íons de lítio com ânodos de silício. Crédito: Jeff Fitlow/Rice University

O laboratório Rice da engenheira química e biomolecular Sibani Lisa Biswal descobriu que o revestimento por spray dos ânodos com uma mistura de partículas e um surfactante melhora a vida útil da bateria em 22% a 44%. As células de bateria com uma maior quantidade de revestimento alcançaram inicialmente uma maior estabilidade e ciclo de vida. No entanto, havia uma desvantagem: quando o ciclo era realizado em plena capacidade, uma quantidade maior de revestimento de partículas levava a mais retenção de lítio, fazendo com que a bateria descarregasse mais rapidamente nos ciclos subsequentes.

O estudo foi publicado na ACS Applied Energy Materials.

Replacing graphite with silicon in lithium-ion batteries would significantly improve their energy density ⎯ the amount of energy stored relative to weight and size ⎯ because graphite, which is made of carbon, can pack fewer lithium ions than silicon. It takes six carbon atoms for every single lithium-ion, while just one silicon atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">átomo pode se ligar com até quatro íons de lítio.

Quan Nguyen é doutorando em engenharia química e biomolecular e autor principal do estudo. Crédito: Jeff Fitlow/Rice University

“O silício é um daqueles materiais que tem a capacidade de realmente melhorar a densidade de energia do lado anódico das baterias de íon-lítio”, disse Biswal. “É por isso que atualmente há um impulso na ciência das baterias para substituir os ânodos de grafite por anodos de silício.”

No entanto, o silício possui outras propriedades que apresentam desafios.

“Um dos principais problemas do silício é que ele forma continuamente o que chamamos de interfase de eletrólito sólido ou camada SEI que na verdade consome lítio”, disse Biswal.

A camada é formada quando o eletrólito em uma célula de bateria reage com elétrons e íons de lítio, resultando em uma camada de sais em escala nanométrica depositada no ânodo. Uma vez formada, a camada isola o eletrólito do ânodo, evitando que a reação continue. No entanto, o SEI pode quebrar durante os ciclos subsequentes de carga e descarga e, à medida que se reforma, esgota irreversivelmente a reserva de lítio da bateria ainda mais.

Quan Nguyen (à esquerda) e Sibani Lisa Biswal. Crédito: Jeff Fitlow/Rice University

“O volume de um ânodo de silício varia à medida que a bateria está sendo ciclada, o que pode quebrar o SEI ou torná-lo instável”, disse Quan Nguyen, ex-aluno de doutorado em engenharia química e biomolecular e autor principal do estudo. “Queremos que esta camada permaneça estável durante os ciclos posteriores de carga e descarga da bateria.”

O método de pré-litiação desenvolvido por Biswal e sua equipe melhora a estabilidade da camada SEI, o que significa que menos íons de lítio são esgotados quando ela é formada.