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Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China Oriental (ECUST) descobriu uma maneira de tornar as baterias de íons de lítio mais baratas e melhores. Eles desenvolveram uma estratégia única que lhes permite aumentar a estabilidade do cátodo rico em níquel em baterias de íons de lítio.

As baterias de íons de lítio são compostas de quatro componentes principais; cátodo, eletrólito, separador e ânodo. O cátodo e o ânodo da bateria são revestidos com materiais especiais para aumentar sua estabilidade, condutividade e densidade de energia. Acredita-se que revestir o cátodo com uma camada rica em níquel poderia dar origem a baterias de íons de lítio de alta energia mais avançadas.

Os pesquisadores sugerem que essas baterias terão melhor desempenho eletroquímico e custarão menos do que as baterias de íons de lítio usadas atualmente. No entanto, cátodos revestidos de níquel são altamente instáveis ​​e levam a uma diminuição significativa na capacidade da bateria a longo prazo.

"Neste momento, o uso de baterias de íon-lítio é limitado principalmente pela capacidade específica limitada de seu material catódico. Cátodos com camadas ricas em níquel sempre sofrem com o rápido desbotamento de capacidade devido à instabilidade estrutural e interfacial que ocorre com os longos operação a longo prazo", observam os pesquisadores.

A nova estratégia proposta pode corrigir esse problema.

O estudo atual não é a primeira tentativa de fazer os cátodos ricos em níquel funcionarem. Como as baterias de íons de lítio de alto desempenho estão em grande demanda devido ao rápido crescimento do mercado de veículos elétricos, os cientistas vêm tentando superar os problemas de estabilidade há algum tempo. No entanto, a maioria desses esforços tem sido focada em revestimento de superfície ou dopagem de elementos.

Os autores do estudo acreditam que tais métodos unidirecionais não são suficientes para superar a "instabilidade estrutural e interfacial" dos cátodos ricos em níquel. Além disso, essas soluções geralmente diminuem a capacidade da bateria em vez de resolver o problema. Por exemplo, a dopagem de elemento único geralmente não consegue parar a reação entre o cátodo e o eletrólito.

Ele causa a decomposição do eletrólito que, eventualmente, leva a uma diminuição significativa na vida útil e no desempenho da bateria de íon-lítio. Portanto, os pesquisadores propuseram uma estratégia de modificação dupla que promete tornar os cátodos ricos em níquel estáveis ​​e viáveis ​​a longo prazo.

O cátodo da bateria vem dopado com titânio e revestido com uma camada de níquel contendo dióxido de ítrio e lítio (Li YO2). Essa modificação dupla é obtida por meio de um método de sinterização que aplica calor e pressão e transforma tudo (revestimento, material dopado e cátodo) em uma massa sólida.

Os pesquisadores testaram este cátodo usando difração de raios X e microscopia eletrônica. Esses testes revelaram que o cátodo modificado era estruturalmente estável e tinha melhor retenção da capacidade da bateria do que um cátodo comum. Após 100 e 500 ciclos de carga, o cátodo duplamente modificado apresentou retenção de capacidade de 96,3% e 86,8%, respectivamente.

Se você ainda não conseguiu entender completamente esse processo de modificação dupla de etapa única, aqui está uma explicação simples: as fortes ligações titânio-oxigênio resultantes da dopagem melhoram a estabilidade do cátodo. Considerando que o revestimento rico em níquel LiYO2 evita com sucesso a degradação do eletrólito e outras reações colaterais prejudiciais que geralmente são responsáveis ​​pela capacidade de dissipação das baterias de íon-lítio.

Os pesquisadores agora planejam testar o desempenho de seu cátodo duplamente modificado em ambientes desafiadores. "A estabilidade sob condições extremamente adversas será estudada para garantir a segurança do material e facilitar sua aplicação comercial", disse Hao Jiang, um dos autores do estudo e professor da ECUST, em comunicado à imprensa.

O professor Jiang e sua equipe também pretendem tornar esse processo escalável para que as baterias com o cátodo duplamente modificado possam se tornar comercialmente disponíveis em breve.