Novo método de preparação melhora a vida útil e a eficiência da bateria

As baterias de ânodo de silício têm o potencial de revolucionar os recursos de armazenamento de energia, o que é fundamental para atingir as metas climáticas e liberar todo o potencial dos veículos elétricos.

No entanto, o esgotamento irreversível de íons de lítio em ânodos de silício coloca uma grande restrição no desenvolvimento da próxima geração de baterias de íons de lítio.

Cientistas da Escola de Engenharia George R. Brown da Rice University desenvolveram um método facilmente escalável para otimizar a pré-litização, 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 de metal de lítio estabilizadas (SLMPs).

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%. Células de bateria com maior quantidade de revestimento atingiram inicialmente maior estabilidade e ciclo de vida. No entanto, havia uma desvantagem: quando ciclada em plena capacidade, uma quantidade maior de revestimento de partículas levava a mais retenção de lítio, fazendo com que a bateria se esgotasse mais rapidamente nos ciclos subsequentes. O estudo foi publicado na ACS Applied Energy Materials.

Substituir grafite por silício em baterias de íon-lítio melhoraria significativamente sua densidade de energia ⎯ a quantidade de energia armazenada em relação ao peso e tamanho ⎯ porque o grafite, que é feito de carbono, pode conter menos íons de lítio do que o silício. São necessários seis átomos de carbono para cada íon de lítio, enquanto apenas um átomo de silício pode se ligar a até quatro íons de lítio.

“O silício é um daqueles materiais que tem a capacidade de realmente melhorar a densidade de energia para o lado anódico das baterias de íon-lítio”, disse Biswal. “É por isso que atualmente existe esse esforço na ciência da bateria para substituir os ânodos de grafite por outros de silício”.

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

"Um dos maiores problemas com o 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, impedindo que a reação continue. No entanto, o SEI pode quebrar ao longo dos ciclos de carga e descarga subsequentes e, à medida que se reconstitui, esgota ainda mais a reserva de lítio da bateria de forma irreversível.

"O volume de um ânodo de silício varia conforme a bateria está sendo reciclada, o que pode quebrar o SEI ou torná-lo instável", disse Quan Nguyen, aluno de doutorado em engenharia química e biomolecular e principal autor do estudo. “Queremos que essa 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.

"A pré-litização é uma estratégia projetada para compensar a perda de lítio que normalmente ocorre com o silício", disse Biswal. "Você pode pensar nisso em termos de preparar uma superfície, como quando você está pintando uma parede e precisa primeiro aplicar um subpêlo para garantir que a tinta grude. A pré-litização nos permite 'preparar' os ânodos para que as baterias tenham ciclo de vida muito mais estável e mais longo."

Embora essas partículas e pré-litiação não sejam novas, o laboratório Biswal conseguiu melhorar o processo de uma forma que é facilmente incorporada aos processos de fabricação de baterias existentes.

"Um aspecto do processo que é definitivamente novo e que Quan desenvolveu foi o uso de um surfactante para ajudar a dispersar as partículas", disse Biswal. "Isso não foi relatado antes, e é o que permite que você tenha uma dispersão uniforme. Então, em vez de se amontoarem ou se acumularem em diferentes bolsos dentro da bateria, eles podem ser distribuídos uniformemente."