Estudo da U Michigan encontra rachaduras em Li

Em vez de serem apenas prejudiciais, as fissuras nos cátodos das baterias de iões de lítio reduzem o tempo de carga da bateria, de acordo com uma investigação realizada na Universidade de Michigan. Isto vai contra a visão de muitos fabricantes de veículos eléctricos, que tentam minimizar as fissuras porque diminuem a longevidade da bateria. Um artigo de acesso aberto sobre o trabalho foi publicado na revista RSC Energy & Environmental Science.

Partículas secundárias policristalinas de Li (Ni, Mn, Co) O2 (NMC) são os materiais catódicos mais comuns para baterias de íon-lítio. Durante a (des)carga eletroquímica, acredita-se que o lítio se difunda através da massa e entre (deixe) a partícula secundária na superfície. Com base neste modelo, partículas menores teriam um ciclo mais rápido devido a comprimentos de difusão mais curtos e maiores proporções entre área de superfície e volume. Neste trabalho, avaliamos essa suposição generalizada desenvolvendo uma nova plataforma eletroquímica de partícula única de alto rendimento usando o arranjo multieletrodos da neurociência. Ao medir os tempos de reação e difusão para 21 partículas individuais em eletrólitos líquidos, não encontramos nenhuma correlação entre o tamanho das partículas e os tempos de reação ou difusão, o que contrasta fortemente com o modelo de transporte de lítio predominante.

Propomos que as reações eletroquímicas ocorram dentro das partículas secundárias, provavelmente devido à penetração do eletrólito nas fissuras. Nossa plataforma eletroquímica de partícula única de alto rendimento abre ainda mais novas fronteiras para quantificação estatística robusta de partículas individuais em sistemas eletroquímicos.

Mecanismo proposto para tempos de reação e difusão independentes do tamanho(a) O modelo padrão para transporte de lítio em nível de partícula assume que o lítio entra na superfície das partículas secundárias e se difunde no volume. Como resultado, o comprimento efetivo de difusão aumenta com o diâmetro da partícula secundária.(b) Min et al. propõem que a escala de comprimento relevante (rEffective) seja muito menor que o raio da partícula secundária e seja independente do diâmetro da partícula secundária. Uma possibilidade é que o eletrólito penetre na partícula devido ao craqueamento intergranular. Min et al.

A equipe acredita que as descobertas se aplicam a mais da metade de todas as baterias de veículos elétricos, nas quais o cátodo é composto por trilhões de partículas microscópicas feitas de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto ou de óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio.

Teoricamente, a velocidade com que o cátodo é carregado depende da relação superfície-volume das partículas. Partículas menores devem carregar mais rápido do que partículas maiores porque têm uma área superficial maior em relação ao volume, de modo que os íons de lítio têm distâncias mais curtas para se difundirem através deles.

No entanto, os métodos convencionais não podiam medir diretamente as propriedades de carga das partículas catódicas individuais, apenas a média de todas as partículas que compõem o cátodo da bateria. Essa limitação significa que a relação amplamente aceita entre a velocidade de carregamento e o tamanho das partículas do cátodo era apenas uma suposição.

Medir a velocidade de carregamento de partículas catódicas individuais foi fundamental para descobrir a vantagem da quebra dos cátodos. Os pesquisadores conseguiram isso inserindo as partículas em um conjunto de múltiplos eletrodos – um dispositivo normalmente usado por neurocientistas para estudar como as células cerebrais individuais transmitem sinais elétricos.

Projeto e fabricação de matrizes multieletrodos(a) Ilustração esquemática de um conjunto multieletrodos de alto rendimento. Os microeletrodos de Au são padronizados em um substrato de silício com óxido térmico de 500 nm. Almofadas de contato Au, com cerca de 1 mm cada, são padronizadas no limite da matriz e conectadas eletricamente aos microeletrodos no centro.(b) Uma imagem óptica dos eletrodos. O chip contém 2 eletrodos grandes de contador/referência e 62 microeletrodos de trabalho menores.(c) Imagem ampliada de quatro microeletrodos funcionais com partículas NMC montadas. Cada microeletrodo de Au tem 20 × 20 µm; os fios Au são passivados com 50 nm de nitreto de silício.