Esta falha oculta está quebrando as baterias EV

A obra, publicada em Nanotecnologia da Naturezaexplica como tensões internas extremamente pequenas podem se acumular dentro dos materiais da bateria e provocar rachaduras. Estes efeitos são especialmente importantes para baterias utilizadas em veículos elétricos e outras tecnologias de alta demanda, onde a durabilidade e a segurança são críticas.

“A eletrificação da sociedade precisa da contribuição de todos”, disse um dos autores correspondentes Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow e Professor Adjunto da UChicago, “Se as pessoas não confiam que as baterias sejam seguras e duradouras, não escolherão usá-las.”

Por que os novos materiais de bateria ficaram aquém

Durante anos, os engenheiros têm lutado contra rachaduras em baterias de íon de lítio que usam materiais ricos em níquel policristalino (PC-NMC) em seus cátodos. Esses materiais são feitos de muitos pequenos grãos de cristal agrupados, e cargas e descargas repetidas podem causar sua fratura. Para evitar esse problema, os pesquisadores começaram a mudar para óxidos monocristalinos ricos em camadas de níquel (SC-NMC), que não possuem esses limites internos de grão.

Apesar da promessa, os cátodos monocristalinos nem sempre tiveram o desempenho esperado. O novo estudo explica o porquê. A pesquisa foi liderada por Jing Wang durante seu trabalho de doutorado na UChicago PME por meio do programa GRC, sob a supervisão conjunta do Laboratório de Armazenamento e Conversão de Energia da Prof. Shirley Meng e da equipe de Tecnologia Avançada de Bateria da Amine.

A equipe descobriu que as regras de projeto desenvolvidas para cátodos policristalinos estavam sendo aplicadas incorretamente a materiais monocristalinos. Essa incompatibilidade, descobriram eles, estava no cerne dos problemas de desempenho.

Através do programa GRC e da Rede de Transição Energética da UChicago, Wang colaborou estreitamente com cientistas de laboratórios nacionais e parceiros da indústria para impulsionar a investigação.

“Quando as pessoas tentam fazer a transição para cátodos monocristalinos, elas seguem princípios de design semelhantes aos policristais”, disse Wang, agora pesquisador de pós-doutorado trabalhando com UChicago e Argonne. “Nosso trabalho identifica que o principal mecanismo de degradação das partículas monocristalinas é diferente das policristalinas, o que leva a diferentes requisitos de composição.”

Repensando o design e os materiais da bateria

As descobertas desafiam as estratégias tradicionais de design de baterias e as suposições sobre quais elementos ajudam ou prejudicam o desempenho. Em particular, o estudo remodela a compreensão de como o cobalto e o manganês influenciam as falhas mecânicas dentro das baterias.

“Não são apenas necessárias novas estratégias de design, mas também serão necessários diferentes materiais para ajudar as baterias de cátodo monocristalino a atingirem o seu pleno potencial”, disse Meng, que também dirige a Aliança de Pesquisa de Armazenamento de Energia (ESRA) em Argonne. “Ao compreender melhor como os diferentes tipos de materiais catódicos se degradam, podemos ajudar a projetar um conjunto de materiais catódicos de alto funcionamento para as necessidades energéticas do mundo.”

Como se formam rachaduras nos cátodos da bateria

Em cátodos policristalinos, a carga e a descarga fazem com que as partículas empilhadas se expandam e contraiam repetidamente. Com o tempo, esse movimento pode ampliar os limites entre os grãos, da mesma forma que os ciclos de congelamento e descongelamento danificam as superfícies das estradas.

“Normalmente, ele sofrerá expansão ou redução de volume de cerca de 5 a 10%”, disse Wang. “Uma vez que uma expansão ou retração excede os limites elásticos, isso levará à quebra da partícula.”

Quando as rachaduras crescem o suficiente, o eletrólito líquido pode infiltrar-se no interior. Isto pode desencadear reações químicas indesejadas e libertação de oxigénio, aumentando os riscos de segurança, incluindo fuga térmica. Mesmo sem falhas dramáticas, o resultado gradual é a perda de capacidade, à medida que as baterias perdem lentamente a capacidade de reter a mesma quantidade de carga.

Os cátodos monocristalinos não contêm limites de grão, então os pesquisadores inicialmente esperavam que eles evitassem esses problemas. Em vez disso, descobriram que a degradação ainda ocorria, mas por uma razão diferente.

Um modo de falha diferente dentro de cristais únicos

A equipe de Argonne e UChicago PME mostrou que os danos em cátodos NMC monocristalinos seguem um processo distinto de falha mecânica.

“Demonstramos que a degradação em cátodos NMC monocristalinos é predominantemente governada por um modo de falha mecânica distinto”, disse outro autor correspondente, Tongchao Liu, químico da Argonne. “Ao identificar este mecanismo anteriormente subestimado, este trabalho estabelece uma ligação direta entre a composição do material e as vias de degradação, fornecendo uma visão mais profunda sobre as origens da deterioração do desempenho destes materiais.”

Usando técnicas de raios X síncrotron multiescala e um microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução, os pesquisadores observaram que as reações dentro das partículas monocristalinas não ocorrem uniformemente. Diferentes regiões reagem em velocidades diferentes, criando tensões internas dentro de uma única partícula, em vez de tensões entre múltiplos grãos.

Necessidades de materiais opostos para baterias monocristalinas

Em cátodos policristalinos, os engenheiros equilibram cuidadosamente o níquel, o manganês e o cobalto. O cobalto tende a promover rachaduras, mas também ajuda a reduzir um problema separado conhecido como distúrbio Li/Ni.

Para testar como esse equilíbrio muda em materiais monocristalinos, a equipe construiu e avaliou dois projetos experimentais. Um utilizou níquel e cobalto sem manganês, enquanto o outro utilizou níquel e manganês sem cobalto. Os resultados inverteram o pensamento convencional. Em cátodos de cristal único, o manganês causou mais danos mecânicos, enquanto o cobalto melhorou a durabilidade e prolongou a vida útil da bateria.

O cobalto continua caro em comparação com o níquel e o manganês. Wang disse que o próximo desafio é identificar materiais mais acessíveis que possam oferecer os mesmos benefícios que o cobalto oferece.

“Os avanços ocorrem em ciclos”, disse Amine. “Você resolve um problema e depois passa para o próximo. Os insights descritos neste artigo colaborativo ajudarão futuros pesquisadores em Argonne, UChicago PME e em outros lugares a criar materiais mais seguros e duradouros para as baterias de amanhã.”