Novo material de ânodo pode levar a uma rapidez mais segura

Cientistas da UC San Diego descobriram um novo material de ânodo que permite que as baterias de íon-lítio sejam recarregadas com segurança em minutos por milhares de ciclos. Conhecido como sal-gema desordenado, o novo ânodo é composto de átomos de lítio, vanádio e oxigênio abundantes na terra, dispostos de maneira semelhante ao sal comum de cozinha, mas aleatoriamente. É promissor para aplicações comerciais onde são desejadas alta densidade de energia e alta potência, como carros elétricos, aspiradores de pó ou furadeiras.

O estudo, conduzido em conjunto por nanoengenheiros nos laboratórios dos professores Ping Liu e Shyue Ping Ong, foi publicado na Nature em 2 de setembro.

Atualmente, dois materiais são usados ​​como ânodos na maioria das baterias de íon-lítio disponíveis comercialmente que alimentam itens como telefones celulares, laptops e veículos elétricos. O mais comum, um ânodo de grafite, é extremamente denso em energia - uma bateria de íon de lítio com um ânodo de grafite pode abastecer um carro por centenas de quilômetros sem precisar ser recarregada. No entanto, recarregar um ânodo de grafite muito rapidamente pode resultar em incêndio e explosões devido a um processo chamado metalização de lítio. Uma alternativa mais segura, o ânodo de titanato de lítio, pode ser recarregado rapidamente, mas resulta em uma diminuição significativa na densidade de energia, o que significa que a bateria precisa ser recarregada com mais frequência.

Este novo ânodo de sal-gema desordenado - Li3V2O5 - fica em um meio-termo importante: é mais seguro de usar do que o grafite, mas oferece uma bateria com pelo menos 71% a mais de energia do que o titanato de lítio.

"A capacidade e a energia serão um pouco menores do que o grafite, mas é mais rápido, mais seguro e tem uma vida mais longa. Tem uma tensão muito menor e, portanto, uma densidade de energia muito melhorada em relação aos ânodos de titanato de lítio de carregamento rápido comercializados atualmente", disse Haodong Liu, um bolsista de pós-doutorado no laboratório do professor Ping Liu e primeiro autor do artigo. "Assim, com este material, podemos fabricar baterias seguras, de carregamento rápido e de longa duração, sem sacrificar muita densidade de energia."

A estrutura cristalina do sal-gema desordenado -Li3V2O5. As bolas vermelhas representam O, o tetraedro azul representa Li em sítios tetraédricos e o octaedro verde representa os sítios octaédricos compartilhados Li/V

Os pesquisadores formaram uma empresa chamada Tyfast para comercializar essa descoberta. Os primeiros mercados da startup serão ônibus elétricos e ferramentas elétricas, já que as características do sal-gema desordenado Li3V2O5 o tornam ideal para uso em dispositivos onde a recarga pode ser facilmente programada.

Os pesquisadores do laboratório do professor Liu planejam continuar desenvolvendo esse material de ânodo de óxido de lítio-vanádio, além de otimizar outros componentes da bateria para desenvolver uma célula completa comercialmente viável.

"Por muito tempo, a comunidade de baterias tem procurado por um material anódico que opere em um potencial logo acima do grafite para permitir baterias de íon-lítio seguras e de carregamento rápido. Este material preenche uma importante lacuna de conhecimento e aplicação", disse Ping Liu. "Estamos entusiasmados com seu potencial comercial, pois o material pode ser uma solução para o processo atual de fabricação de baterias de íon-lítio."

Por que experimentar este material?

Os pesquisadores experimentaram pela primeira vez sal-gema desordenado como cátodo de bateria há seis anos. Desde então, muito trabalho foi feito para transformar o material em um cátodo eficiente. Haodong Liu disse que a equipe da UC San Diego decidiu testar o material como um ânodo com base em um palpite.

"Quando as pessoas o usam como cátodo, precisam descarregar o material para 1,5 volts", disse ele. "Mas quando olhamos para a estrutura do material do cátodo em 1,5 volts, pensamos que este material tem uma estrutura especial que pode ser capaz de hospedar mais íons de lítio - isso significa que pode ir para uma tensão ainda mais baixa para funcionar como um ânodo".

No estudo, a equipe descobriu que seu ânodo de sal-gema desordenado poderia alternar reversivelmente dois íons de lítio a uma voltagem média de 0,6 V - maior que os 0,1 V do grafite, eliminando o revestimento de metal de lítio a uma taxa de carga alta, o que torna a bateria mais segura, mas inferior aos 1,5 V em que o titanato de lítio intercala o lítio e, portanto, armazena muito mais energia.