Novo processo visa evitar perda irreversível de energia nas baterias

Freqüentemente, quando uma bateria diz que está totalmente carregada, a capacidade costuma ser de apenas 70-90% da densidade de energia teórica que pode ser armazenada, devido à perda permanente de íons de lítio que pode ocorrer durante o estágio de formação da produção da bateria.

Numa tentativa de superar esta situação e evitar esta perda inicial de iões de lítio, cientistas do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia Equipar (KIST) desenvolveram uma solução de pré-tratamento de eletrodo que é capaz de minimizar essa perda inicial de íons de lítio em ânodos compostos de óxido de grafite-silício (SiOx, 0.5 ≤ x ≤ 1.5).

Depois de ser mergulhado na solução, o ânodo, que era composto de 50% de SiOx, demonstrou perda de Li insignificante, permitindo que uma célula cheia exibisse densidade de energia quase ideal.

A maioria das baterias de Li comerciais utiliza um ânodo de grafite, mas o SiOx tem atraído atenção significativa devido à sua alta capacidade, que é 5 a 10 vezes maior do que o grafite. SiOx, no entanto, também consome irreversivelmente três vezes mais Li ativo do que o grafite. Como resultado, um eletrodo composto, consistindo de uma mistura de grafite e SiOx, foi promovido como uma alternativa para ânodos práticos de próxima geração.

Embora tenha havido um aumento correspondente na capacidade dos eletrodos de compósito de grafite-SiOx em proporções mais altas de SiOx, também houve um aumento na perda de Li inicial. Como resultado, a proporção do conteúdo de SiOx em um eletrodo composto de grafite-SiOx teve que ser limitada a 15%, pois aumentar a proporção para 50% resultaria em uma perda inicial de Li de 40%.

Para combater isso, a equipe de pesquisa da KIST desenvolveu um processo em que o eletrodo é mergulhado em uma solução única para mitigar o consumo de Li pelo eletrodo de SiOx. A equipe então aplicou esse processo a um material composto de grafite-SiOx com potencial de comercialização significativo.

A equipe descobriu que as soluções de pré-tratamento desenvolvidas anteriormente causariam a inserção não intencional de moléculas de solvente com íons de lítio na grafite, devido à capacidade versátil de intercalação da grafite. Essa intercalação de grandes moléculas de solvente resultou na quebra estrutural do eletrodo composto de grafite-SiOx. Para evitar a falha do eletrodo, os pesquisadores desenvolveram uma solução alternativa usando um solvente de solvência fraca para reduzir a interação entre o solvente e os íons de lítio. Esta solução permitiu a inserção seletiva de íons de Li nos materiais ativos, garantindo um fornecimento estável de Li adicional para o eletrodo composto de grafite-SiOx.

O consumo inicial de Li foi completamente evitado após o eletrodo de grafite-SiOx ser imerso na solução desenvolvida pela equipe de pesquisa por aproximadamente 1 minuto, mesmo com uma relação de SiOx de 50%. Consequentemente, o eletrodo apresentou uma alta eficiência inicial de quase 100%, indicando perda de Li insignificante (≤ 1%) na carga inicial. Os eletrodos desenvolvidos por meio desse processo tinham capacidade 2.6 vezes maior do que os ânodos de grafite convencionais, ao mesmo tempo em que mantinham 87.3% da capacidade inicial após 250 ciclos de carga / descarga.

De acordo com a Dra. Minah Lee do KIST, “Como resultado deste estudo, devemos ser capazes de aumentar o teor de SiOx em ânodos compostos de grafite-SiOx para mais de 50%, em oposição à proporção de 15% permitida por materiais convencionais, tornando é possível produzir baterias de íon de lítio com uma capacidade maior e melhorar a quilometragem de EVs futuros. ”

O Dr. Jihyun Hong, um co-pesquisador do KIST, acrescentou: “A tecnologia é segura e adequada para produção em massa e, portanto, provavelmente será comercializada”.