A descoberta de Oxford pode fazer com que as baterias de íons de lítio carreguem mais rápido e durem muito mais

A pesquisa se concentrou nos ligantes de polímeros usados ​​nos eletrodos negativos das baterias de íon-lítio (ânodos). Esses ligantes agem como uma cola que mantém os materiais do eletrodo unidos. Embora representem menos de 5% do peso total do eletrodo, eles influenciam fortemente a resistência mecânica, a condutividade elétrica e iônica e o tempo de operação de uma bateria por meio de ciclos de carga repetidos.

Como os ligantes estão presentes em quantidades tão pequenas e não possuem assinaturas visuais claras, os cientistas têm dificuldade em determinar exatamente onde estão localizados no eletrodo. Isto limitou os esforços para ajustar o desempenho da bateria, uma vez que a forma como os ligantes são distribuídos afeta diretamente a condutividade, a estabilidade estrutural e a durabilidade a longo prazo.

Técnica de coloração com patente pendente revela estrutura oculta

Para superar esse obstáculo, os pesquisadores desenvolveram uma abordagem de coloração com patente pendente que anexa marcadores rastreáveis ​​de prata e bromo a ligantes amplamente utilizados à base de celulose e látex em ânodos à base de grafite e silício. Uma vez rotulados, os ligantes podem ser detectados porque emitem raios X característicos (medidos com espectroscopia de raios X com dispersão de energia) ou refletem elétrons de alta energia da superfície da amostra (medidos com imagem de elétrons retroespalhados com seleção de energia).

Quando vistos sob um microscópio eletrônico, esses sinais fornecem mapas detalhados de onde elementos específicos estão localizados e como é a superfície do eletrodo. Isto permite aos cientistas analisar a distribuição do ligante com muito maior precisão do que antes.

O autor principal, Dr. Stanislaw Zankowski (Departamento de Materiais da Universidade de Oxford), disse:”Esta técnica de coloração abre uma caixa de ferramentas inteiramente nova para a compreensão de como os ligantes modernos se comportam durante a fabricação do eletrodo. Pela primeira vez, podemos ver com precisão a distribuição desses ligantes não apenas geralmente (ou seja, sua espessura em todo o eletrodo), mas também localmente, como camadas e aglomerados de ligantes em nanoescala, e correlacioná-los com o desempenho do ânodo. “

O método funciona com eletrodos de grafite padrão, bem como com materiais avançados, como silício ou SiOx, tornando-o relevante tanto para baterias atuais de íons de lítio quanto para projetos de próxima geração.

Carregamento mais rápido e maior vida útil da bateria

Ao aplicar a nova ferramenta de imagem, a equipe descobriu que mesmo mudanças sutis na distribuição do aglutinante podem alterar significativamente a eficiência de carregamento de uma bateria e sua duração. Nos testes, os ajustes nas etapas de mistura e secagem da pasta reduziram a resistência iônica interna dos eletrodos experimentais em até 40% – uma grande barreira para o carregamento rápido.

Os pesquisadores também capturaram imagens detalhadas de camadas extremamente finas de aglutinante de carboximetilcelulose (CMC) que revestem as partículas de grafite. A técnica permitiu a detecção clara de camadas de CMC com apenas 10 nm de espessura e estruturas visualizadas abrangendo quatro ordens de magnitude em uma única imagem. As imagens revelaram que o que começa como um revestimento CMC uniforme pode quebrar-se em fragmentos irregulares e irregulares durante o processamento do eletrodo, o que pode enfraquecer o desempenho e a estabilidade da bateria.

O co-autor Professor Patrick Grant (Departamento de Materiais da Universidade de Oxford) disse: “Este esforço multidisciplinar de química, microscopia eletrônica, testes eletroquímicos e modelagem resultou em uma abordagem de imagem inovadora que nos ajudará a compreender os principais processos de superfície que afetam a longevidade e o desempenho da bateria. Isso impulsionará avanços em uma ampla gama de aplicações de bateria. “

O trabalho foi apoiado pelo projeto Nextrode da Faraday Institution e já atraiu interesse significativo da indústria, incluindo grandes produtores de baterias e fabricantes de veículos elétricos.