Por décadas, os cientistas tentaram fazer baterias de metal de lítio confiáveis. Essas células de armazenamento de alto desempenho mantêm 50% mais energia do que suas prolíficas primas de íons de lítio, mas taxas de falha mais altas e problemas de segurança como incêndios e explosões têm paralisado os esforços de comercialização. Os pesquisadores levantaram a hipótese de por que os dispositivos falham, mas as evidências diretas são escassas.
Agora, as primeiras imagens em nanoescala já tiradas dentro de baterias intactas de lítio-metal moeda (também chamadas de células-botão ou baterias de relógio) desafiam as teorias prevalecentes e podem ajudar a tornar futuras baterias de alto desempenho, como para veículos elétricos, mais seguras, mais potentes e mais longas duradouro.
“Estamos aprendendo que devemos usar materiais separadores ajustados para metal de lítio”, disse a cientista de baterias Katie Harrison, que lidera a equipe do Sandia National Laboratories para melhorar o desempenho das baterias de metal de lítio ”, disse o cientista.
O subproduto interno se acumula, mata as baterias
A equipe carregou e descarregou repetidamente células tipo moeda de lítio com a mesma corrente elétrica de alta intensidade que os veículos elétricos precisam carregar. Algumas células passaram por alguns ciclos, enquanto outras passaram por mais de cem ciclos. Em seguida, as células foram enviadas para a Thermo Fisher Scientific em Hillsboro, Oregon, para análise.
Quando a equipe revisou as imagens do interior das baterias, eles esperavam encontrar depósitos em forma de agulha de lítio espalhados pela bateria. A maioria dos pesquisadores de baterias pensa que um pico de lítio se forma após ciclos repetitivos e que perfura um separador de plástico entre o ânodo e o cátodo, formando uma ponte que causa um curto. Mas o lítio é um metal macio, então os cientistas não entenderam como ele poderia passar pelo separador.
A equipe de Harrison encontrou um segundo culpado surpreendente: um acúmulo sólido formado como um subproduto das reações químicas internas da bateria. Cada vez que a bateria era recarregada, o subproduto, chamado interfase de eletrólito sólido, crescia. Tampar o lítio, ele abriu buracos no separador, criando aberturas para que os depósitos de metal se espalhem e formem um curto. Juntos, os depósitos de lítio e o subproduto eram muito mais destrutivos do que se acreditava, agindo menos como uma agulha e mais como um limpa-neves.
“O separador está completamente destruído”, disse o pesquisador, acrescentando que este mecanismo só foi observado sob as taxas de carregamento rápidas necessárias para veículo eléctrico tecnologias, mas não taxas de carregamento mais lentas.
Enquanto os cientistas do Sandia pensam em como modificar os materiais separadores, o pesquisador diz que mais pesquisas também serão necessárias para reduzir a formação de subprodutos.
Cientistas combinam lasers com criogenia para obter imagens "legais"
Determinar a causa da morte de uma bateria de moedas é surpreendentemente difícil. O problema vem de seu invólucro de aço inoxidável. O invólucro de metal limita o que os diagnósticos, como os raios X, podem ver do lado de fora, enquanto a remoção de partes da célula para análise rasga as camadas da bateria e distorce qualquer evidência que possa estar dentro.
“Temos diferentes ferramentas que podem estudar diferentes componentes de uma bateria, mas realmente não tínhamos uma ferramenta que pudesse resolver tudo em uma imagem”, disse o pesquisador.
O pesquisador e seus colaboradores usaram um microscópio com laser para passar pelo invólucro externo de uma bateria. Eles o emparelharam com um suporte de amostra que mantém o eletrólito líquido da célula congelado em temperaturas entre menos 148 e menos 184 graus Fahrenheit (menos 100 e menos 120 graus Celsius, respectivamente). O laser cria uma abertura grande o suficiente para um feixe de elétrons estreito entrar e retornar para um detector, fornecendo uma imagem de alta resolução da seção transversal interna da bateria com detalhes suficientes para distinguir os diferentes materiais.
O instrumento de demonstração original, que era a única ferramenta desse tipo nos Estados Unidos na época, foi construído e ainda reside em um laboratório da Thermo Fisher Scientific em Oregon. Uma duplicata atualizada agora reside em Sandia. A ferramenta será usada amplamente em Sandia para ajudar a resolver muitos materiais e problemas de análise de falhas.
