As baterias minam sua capacidade teórica na prática, às vezes significativamente. Em um cátodo de fosfato de ferro e lítio, pesquisadores da TU Graz agora conseguiram observar exatamente onde ocorre a perda de capacidade.
O fosfato de ferro e lítio é um dos materiais mais importantes para baterias em carros elétricos, sistemas de armazenamento de energia estacionários e ferramentas. Ele tem uma longa vida útil, é comparativamente barato e não tende a entrar em combustão espontânea. A densidade de energia também está progredindo. No entanto, os especialistas ainda estão confusos sobre o motivo pelo qual as baterias de fosfato de ferro e lítio reduzem sua capacidade teórica de armazenamento de eletricidade em até 25 por cento na prática. Para utilizar essa reserva de capacidade dormente, seria crucial saber exatamente onde e como os íons de lítio são armazenados e liberados do material da bateria durante os ciclos de carga e descarga. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Graz (TU Graz) agora deram um passo significativo nessa direção. Usando microscópios eletrônicos de transmissão, eles foram capazes de rastrear sistematicamente os íons de lítio enquanto viajavam pelo material da bateria, mapear seu arranjo na rede cristalina de um cátodo de fosfato de ferro com resolução sem precedentes e quantificar precisamente sua distribuição no cristal.
Pista-chave para aumentar ainda mais a capacidade das baterias
“Nossas investigações mostraram que, mesmo quando as células da bateria de teste estão totalmente carregadas, os íons de lítio permanecem na rede cristalina do cátodo em vez de migrarem para o ânodo. Esses íons imóveis incorrem em um custo de capacidade”, diz Daniel Knez, do Instituto de Microscopia Eletrônica e Nanoanálise da TU Graz. Os íons de lítio imóveis são distribuídos de forma desigual no cátodo. Os pesquisadores conseguiram determinar precisamente essas áreas de diferentes níveis de enriquecimento de lítio e separá-las umas das outras até alguns nanômetros. Distorções e deformações foram encontradas na rede cristalina do cátodo nas áreas de transição. “Esses detalhes fornecem informações importantes sobre os efeitos físicos que até agora neutralizaram a eficiência da bateria e que podemos levar em consideração no desenvolvimento posterior dos materiais”, diz Ilie Hanzu, do Instituto de Química e Tecnologia de Materiais, que estava intimamente envolvido no estudo.
Métodos também transferíveis para outros materiais de bateria
Para suas investigações, os pesquisadores prepararam amostras de material dos eletrodos de baterias carregadas e descarregadas e as analisaram sob o microscópio ASTEM de resolução atômica na TU Graz. Eles combinaram espectroscopia de perda de energia de elétrons com medições de difração de elétrons e imagens em nível atômico. “Ao combinar diferentes métodos de exame, fomos capazes de determinar onde o lítio está posicionado nos canais de cristal e como ele chega lá”, explica Nikola ¦imic do Instituto de Microscopia Eletrônica e Nanoanálise e primeiro autor do artigo sobre os resultados, que a equipe de pesquisa publicou recentemente no periódico Advanced Energy Materials. “Os métodos que desenvolvemos e o conhecimento que adquirimos sobre difusão de íons podem ser transferidos para outros materiais de bateria com apenas pequenos ajustes para caracterizá-los ainda mais precisamente e desenvolvê-los ainda mais.”
Esta área de investigação está ancorada no Campo de Especialização Ciência Avançada de Materiais um dos cinco focos estratégicos da TU Graz.
Publicação: Transições de fase e transporte de íons em fosfato de ferro e lítio por análise em escala atômica para elucidar processos de inserção e extração em baterias de íons de lítio
Em: Materiais de Energia Avançados; 2024, 2304381
Nikola ¦imic, Anna Jodlbauer, Michael Oberaigner, Manfred Nachtnebel, Stefan Mitsche, H. Martin R. Wilkening, Gerald Kothleitner, Werner Grogger, Daniel Knez, Ilie Hanzu